隨著人類對海洋資源的充分利用，水下通訊變得越來越重要。由于電磁波在水中衰減的很快，而水中通訊只能依靠聲波來進行，因此控制聲音在水中的傳播具有重要的意義。水中隔音對于抑制海洋噪音污染，保護海洋生物具有重要的意義。然而，由于空氣和水的聲學阻抗的差異，一些在空氣中常用的隔音材料在水中的效果會大打折扣。而傳統(tǒng)的質量作用理論要求物體的尺寸要與所阻擋聲波的波長相當，這使低頻區(qū)域聲波的阻隔變得十分困難，因而水中低頻聲波的調控是一個長期的難題。
水中的氣泡作為一種最簡單的聲學超材料，具有獨特的聲學性質。1933年，荷蘭科學家Marcel Minnaert 提出了氣泡的Minneart共振現象，指出了氣泡的共振頻率對應的聲波波長是其半徑的近500倍，因此可實現低頻聲波的調控。更有理論指出，如果能把氣泡在水中做成三維晶格排列，它將具有目前最寬的低頻聲波帶隙，這在低頻寬帶的聲波調控方面具有重要應用。然而，由于氣泡浮力作用及流體不穩(wěn)定性，水中氣泡的可控性制備一直是一個難題。
宋延林研究員課題組多年來專注于液滴、氣泡等流體圖案化的調控及應用。實現了氣泡的反奧斯瓦爾德熟化控制和圖案化制備（Nat. Commun. 2017, 8,14110）。并提出了水/氣/油等任意不相容流體間的圖案化控制理論（Adv. Mater. 2018, 30(31), 1802172）。最近，他們把氣泡調控應用于聲波調控中，第一次從實驗上測出了三維氣泡晶體的聲子帶隙（Adv. Funct. Mater. 2019, 1906984）。在這些研究基礎上，他們受自然界生物捕獲氣泡的啟發(fā)，提出了控制Cassie態(tài)（非浸潤）和Wenzel態(tài)（浸潤）交替出現的方法，更方便地制備從微米級到毫米級的圖案化氣泡，并用于聲學反射超表面的制備，其在水下聲學探測、水下隔音等方面具有重要的意義。
如圖1所示，他們提出了利用固體表面微米結構來控制Wenzel態(tài)和Cassie態(tài)交替出現的方法來制備圖案化的氣泡。通過理論分析，他們得出了水滴在固體表面從Cassie態(tài)轉變?yōu)閃enzel態(tài)的臨界壓力和固體表面結構的關系。通過精細調控固體表面的結構，就可以精確地調控固體表面上每一處是否被液體浸潤。液體浸潤的地方為水，非浸潤的區(qū)域為氣泡。通過設計微結構的距離和排列，就可以精確地調控氣泡的位置、大小和形貌。
圖1. Wenzel態(tài)和Cassie態(tài)交替出現實現圖案化氣泡的調控
根據氣泡的Minneart共振方程，不同大小的氣泡對應不同的共振頻率。而氣泡間距影響著氣泡之間的共振耦合作用。因此，通過調控氣泡的大小和間距，他們實現了聲波從9 kHz到1.7 MHz范圍的調控。而且，由于氣泡受到微結構的約束，不必保持球形，通過扁平化氣泡的制備，其作用聲波波長能到其氣泡高度的3333倍，這遠遠大于Minneart共振效應所對應的500倍，因此可以制備比傳統(tǒng)更薄的反射超表面。
圖2 是聲學反射超表面的全波模擬展示，在沒有氣泡的情形下，60%的聲波能量可以透過樣品。然而，一層高度為50 um、體積分數僅為3%的氣泡，就可以使其透過率降低到小于0.2%。他們還證明了通過多層氣泡的疊加，可以實現寬頻聲波的隔音。以透過率低于1%為界，他們指出，四層氣泡的帶隙寬度是單層氣泡的30倍，因此可以用于寬頻聲波的隔音應用。
圖2. 圖案化的氣泡用于聲學反射超表面
此研究在水中噪音控制，保護海洋環(huán)境方面具有重要意義。另外，其聲波的全反射作用有利于提高水下聲波探測靈敏度。比如，飛機失事后，其黑匣子在其電池耗盡后，只能靠聲吶去尋找。而表面的這層氣泡能夠增強特定頻率的反射，使黑匣子就像黑夜中的一面鏡子一樣，在遇到光照時，比較容易被探測到。
此論文發(fā)表在ACS Applied Materials&Interface (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b15683)上。論文的第一作者為中科院化學所黃占東博士，目前為西安大略大學楊軍教授課題組博士后，共同第一作者為青島大學的趙勝東博士，通訊作者中科院化學研究所宋延林研究員。
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