用于远场高分辨医学成像的可生物降解柔性声学超构表面功能器件

声人工结构超构表面是一种可产生特殊物理效应的新颖声学结构，其独特之处在于能够对声波的相位、振幅进行完全控制，可个性化定制任意波场，在高/超分辨医学成像、精准操控给药和可穿戴器件等方面具有重要应用前景。 

声学超构表面结构通常是刚性而固定的，厚度在毫米以上，甚至与波长相当。同时，这些超构表面的工作频率通常在较低的频率，高频高性能应用受限。尽管高精度三维打印技术的快速发展，使得加工更小的超构表面构件成为可能。然而，更复杂的是，当超构表面的工作媒介为水等液体介质时，将面临新挑战。例如，为了实现所需的波前工程，声学中的质量定律约束了水下超构表面具有结构紧凑而尺寸庞大的特征，这限制了声学超构表面的潜在应用场景。此外，不可避免的固液耦合引起的结构振动，可导致所设计的声学超构表面器件失效，成为应用的突出瓶颈。    

近日，中国科学院深圳先进技术研究院研究员郑海荣与华中科技大学教授祝雪丰等合作，研发了二氧化硅纳米颗粒修饰的细菌-纤维素柔性超构表面元材料（图1）。这种材料在水中具有优异的稳定性、出色的机械加工性能、超薄厚度、超轻重量、细菌可修复能力和生物相容性。

图1 细菌-纤维素柔性超构表面的加工和性能表征

利用这种柔性超构表面元材料，研究进一步基于剪纸工艺开发出功能性声学超构表面，可加工~ 10 μm精度的复杂图案。得益于这种超构表面材料的Cassie-Baxter效应产生的完美超声绝缘性，该研究设计制造出超薄（~ 20 μm）、超轻（< 20 mg）的芯片级声学器件，如非局域全息超构透镜和三维成像超构透镜，实现了复杂全息声场和远场高分辨三维超声脉冲-回波成像（图2、3）。该研究为开发柔性可生物降解的新型超构材料器件提供了变革性技术，并为相关生物医学仪器应用开辟了新方向。

图2 基于剪纸工艺开发的非局域全息超构透镜及其复杂全息声场



图3 基于剪纸工艺开发的成像超构透镜及其远场高分辨二维、三维超声脉冲-回波成像

相关研究成果以“Decorated bacteria-cellulose ultrasonic metasurface”为题，发表在Nature Communications期刊上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省卓越青年团队项目、深圳市基础研究专项重点项目等的支持。   

审核编辑：刘清