金屬、聚合物、陶瓷和木材等傳統(tǒng)的聲學材料，通常需要被應用于包含固、液、氣等多相材料的的復雜環(huán)境中。然而，這些傳統(tǒng)聲學材料一旦完成制造，其聲學特性較難發(fā)生顯著變化，因此存在聲學材料和環(huán)境之間阻抗匹配的問題。在應用中，由于阻抗不匹配引起能量損失和脈沖混疊等問題，對聲學成像和通信等應用造成巨大挑戰(zhàn)。為了應對這一挑戰(zhàn)，需要非常規(guī)的聲學材料能根據(jù)工作環(huán)境介質(zhì)和工作頻率變化而實時改變其聲阻抗的特性。特別是在水下聲學和生物醫(yī)學成像領(lǐng)域，為了提高信號轉(zhuǎn)導的分辨率和效率，需要聲學材料和水的阻抗相匹配。以往的研究表明，聲阻抗可以通過在液體中嵌入夾雜物組成的超材料進行調(diào)整。然而，這些超材料結(jié)構(gòu)的聲學屬性仍然是固定的，無法實時調(diào)整。雖然電/磁/力學耦合和結(jié)構(gòu)變形等機制可實現(xiàn)固體材料聲學性質(zhì)的調(diào)節(jié)，但因為其可調(diào)節(jié)范圍和頻率有限，目前還沒有可以在寬頻下實現(xiàn)與空氣、水和各種固體材料匹配的聲學材料。
在近日發(fā)表在Advanced Functional Materials的文章中，北京理工大學特聘研究員張凱團隊與MIT趙選賀教授團隊和方絢萊教授團隊合作，首次提出名為超凝膠（MetaGel）的新材料體系。該工作通過在韌性水凝膠基質(zhì)中設(shè)計微結(jié)構(gòu)通道，并填充各種流體介質(zhì)，可在寬頻范圍內(nèi)實現(xiàn)可調(diào)的接近空氣-水-固體的聲阻抗性能。由于水凝膠的主要成分是水(超過90%的體積占比)，水凝膠的密度和聲波在其中的傳播速度幾乎與水的相同。因此，水凝膠和水的阻抗匹配優(yōu)越于任何傳統(tǒng)的聲學材料。同時，水凝膠中的分子網(wǎng)絡(luò)使水凝膠具有較好的彈性，從而可以保持水凝膠基體和基體中所填充介質(zhì)的形狀。因此，上述水凝膠獨特屬性的結(jié)合使MetaGel具有前所未有的可調(diào)聲學性能。
圖1. 包含微結(jié)構(gòu)通道的韌性水凝膠設(shè)計原理圖。A)均質(zhì)水凝膠與水聲阻抗匹配良好，幾乎實現(xiàn)了水聲的全透射。含微結(jié)構(gòu)的超凝膠的等效聲學特性可以通過在通道中充入各種液體，包括B)水、C)空氣和D)液態(tài)金屬等來調(diào)節(jié)，產(chǎn)生幾乎全透射、全反射和透射反射結(jié)合的現(xiàn)象
同時，作者提出兩種方法調(diào)節(jié)MetaGel的聲學性能：1)改變通道中的填充物2)改變不同填充物的填充比。
圖2。不同填充材料的寬頻可調(diào)聲透射率。充滿了水A)、空氣B)和液態(tài)金屬C) 的MetaGel。D)填充了水，空氣，液態(tài)金屬的MetaGel在不同頻率的透射系數(shù)的實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果。實線表示實驗結(jié)果，虛線表示模擬結(jié)果。MetaGel結(jié)構(gòu)中，圓形通道的直徑為a = 2.2 mm，相鄰兩個通道之間的距離為L = 6.5 mm。
對于第一種調(diào)節(jié)方法，實驗測量得到的能量透射率在50KHz-150kHz頻率范圍內(nèi)在98.9%以上，表明MetaGel與水聲的阻抗匹配幾乎完美。相反，當MetaGel中的通道充滿空氣時，MetaGel的能量透射率在50KHz-150kHz頻率范圍中降為6%，入射聲波幾乎全部被反射。當在MetaGel中的通道內(nèi)填充液態(tài)金屬，平均透射系數(shù)約為90%。對于第二種調(diào)節(jié)方法，作者在固定孔道間距和直徑的同時，改變填充水和空氣的通道的比例, 實驗測得當通道填充比例為Nwater:Nair= 1:0, 1:3, 1:5, 1:8, 2:1，2:2、2:3, 0:1時， 50-150 kHz頻率范圍的透射系數(shù)實現(xiàn)了從0到1的覆蓋。對相同的通道填充比例（Nwater:Nair）進行的數(shù)值模擬（COMSOL）結(jié)果顯示出和實驗測量類似的趨勢。除此之外，作者還建立了描述MetaGel透射系數(shù)的多重散射模型(MST)并驗證了實驗結(jié)果在寬頻率范圍內(nèi)的正確性。
圖3。通過改變填充比實現(xiàn)的寬頻聲透射率大范圍可調(diào)的MetaGel。不同填充比的水下MetaGel （A-C）。水與空氣的比例(Nwater:Nair)分別為A) 1:2, B) 2:2, C) 2:1混合。D,E) 不同的填充比例下聲透射系數(shù)的實驗與數(shù)值模擬結(jié)果。圓形通道的直徑a = 2.2 mm，相鄰兩個通道的距離L = 6.5 mm。
對于周期性結(jié)構(gòu)傳播介質(zhì)，如果聲波波長大于1倍晶格長度，MetaGel可以被認為是宏觀上均勻的材料。圖4畫出了不同尺寸和填充比的MetaGel的聲阻抗值。完全填充氣體的MetaGel占據(jù)了聲阻抗接近0的區(qū)域。完全填充水的MetaGel保持和水相同的阻抗, 和填充比例以及結(jié)構(gòu)尺寸無關(guān)。填充液態(tài)金屬的MetaGel的聲阻抗值可隨著液態(tài)金屬填充比例而變化。通過調(diào)節(jié)填充介質(zhì)、填充比例以及結(jié)構(gòu)尺寸，MetaGel在寬頻下的可調(diào)節(jié)阻抗范圍覆蓋了大量典型液體、固體，甚至接近氣體的阻抗。
圖4. 不同類型的典型固體、液體和氣體和具有不同填充比例和不同尺寸的MetaGel的聲阻抗。文中提出了六種具有不同結(jié)構(gòu)特征的MetaGel。Ⅰ：a = 110 μm, L = 325 μm; Ⅱ：a = 110 μm, L = 115 μm; Ⅲ: a = 2.2 mm, L = 6.5 mm; Ⅳ: a = 3 mm, L = 6 mm; Ⅴ: a = 2.3 mm, L = 2.3 mm; Ⅵ: a = 3 mm, L = 3.1 mm
圖5. MetaGel在超聲成像中的應用。A)超聲成像系統(tǒng)的示意圖。圖中使用了填充水/空氣的MetaGel。4MHz超聲成像頻率下，成像目標可以通過完全填充水的MetaGel清晰成像B），當MetaGel填充空氣時圖像消失C)。B和C中的標尺是12mm，B和C中的灰度條代表了動態(tài)范圍（成像信號的最大值和最小值的差）
作者展望
作者提出了在韌性水凝膠內(nèi)部設(shè)計用于填充空氣、水和液態(tài)金屬的通道的方法來制備MetaGel, 從而實現(xiàn)寬頻下可調(diào)節(jié)的匹配空氣、水和固體的聲學性能。在如圖5所示的超聲波實驗中（聲波頻率為4MHz），當MetaGel通道中填滿水時，青蛙可以通過超聲探頭清晰地成像，一旦通道充滿空氣，青蛙圖像消失。 由此可見，MetaGel可以用作超聲波成像的快門，按照需求實現(xiàn)目標物體的成像窗口“開”和“關(guān)”，選擇性地屏蔽不需要的強散射區(qū)域，最終實現(xiàn)具有更強的對比度的超聲成像。
除了前所未有的寬頻可調(diào)透射率，作者提出的MetaGel還具備低成本，環(huán)境友好，人體組織兼容的優(yōu)點。將來，采用更復雜的2D和3D的通道和更多的填充物種類（例如硅油或者甘油）可能會帶來更寬的聲學屬性調(diào)節(jié)范圍。文章中提出的MetaGel的設(shè)計方法和材料系統(tǒng)為未來聲學材料的設(shè)計和應用開啟了一種新的方式，將會極大促進新型水下設(shè)備和醫(yī)療成像設(shè)備的發(fā)展。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201903699
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