據(jù)麥姆斯咨詢介紹，隨著納米聲學性能的擴展和技術(shù)的完善，納米聲學應用正迅速發(fā)展。本文簡要探討了納米聲學技術(shù)及其應用，包括納米聲學傳感、納米聲學操縱和納米聲學表征，并對其未來趨勢進行了展望。

什么是聲學？

“聲學（Acoustics）”一詞源于希臘語單詞“Akoustos”，意思是“聽得見的”。聲學是一門研究聲音的產(chǎn)生、傳播、控制和效果的科學。聲學涵蓋一系列主題，包括噪聲控制、醫(yī)學領域的超聲波、熱聲制冷、生物聲學、導航聲納、納米聲學、地震學和電聲通信等。

超聲波的頻率高于人耳聽力范圍（高于20 kHz）。通常，超聲波通過采用壓電材料的換能器產(chǎn)生，利用逆壓電效應將電能轉(zhuǎn)換為聲能。

納米聲學背景

20世紀80年代，隨著納米科學的進步，納米技術(shù)開始受到學界各個領域的關(guān)注。用于超聲研究的納米材料和納米器件，徹底改變了應用超聲波的傳統(tǒng)方法。

過去幾年來，各種納米材料的引入，賦能超聲技術(shù)支持各種疾病的診斷和治療，受到了越來越廣泛的關(guān)注，成為醫(yī)學超聲檢測的一個重要領域。如今，納米技術(shù)已經(jīng)進入各種能夠監(jiān)測和控制納米顆粒的超聲波儀器。

納米聲學應用

納米聲學表征

掃描聲學顯微鏡（SAM）

高頻聲波的波長較短，可用于開發(fā)聲學顯微鏡。這些顯微鏡具有與光學顯微鏡相近的分辨率?？茖W家們已經(jīng)在顯微鏡中利用納米聲學這一概念開發(fā)了掃描聲學顯微鏡（SAM）。

早期使用SAM技術(shù)的顯微鏡最高可以提供10 μm的分辨率。后來，改進后的版本可以在高達260 nm的波長下工作。該技術(shù)主要用于生物學、結(jié)構(gòu)內(nèi)成像和光學不透明樣品的表征。

原子力聲學顯微鏡（AFAM）

SAM的分辨率有限。因此，為了在亞微米分辨率下表征材料特性，使用了另一種被稱為原子力聲學顯微鏡（AFAM）的技術(shù)。該技術(shù)可用于表征和映射納米級的機械性能。例如，根據(jù)最近的研究，該技術(shù)已被用于精確測量納米級分辨率的納米晶鐵氧體等材料的動態(tài)楊氏模量。該技術(shù)的分辨率已高達10 nm。

納米聲學操縱

隨著納米制造、生物醫(yī)學和材料工程等納米技術(shù)的研究進展，操縱納米顆粒、納米液滴和納米細胞正變得至關(guān)重要。這些操縱功能包括納米物體的定向、捕獲、分類、富集和組裝等。

研究人員已經(jīng)開發(fā)出許多替代策略來實現(xiàn)這些操縱功能，可分為電學、光學、微流體、磁學、原子力顯微鏡、機械和聲學方法。

每種方法都有其自身的優(yōu)缺點，相比之下，基于聲學的系統(tǒng)比其他技術(shù)存在若干優(yōu)勢。例如，基于聲學的技術(shù)可以提供多種操縱功能。這些方法也不需要特定的樣本屬性，可以通過簡單的器件結(jié)構(gòu)來執(zhí)行。

納米聲學傳感

聲表面波（SAW）器件可以對機械、電氣、化學信號和其他擾動做出響應。這些器件的響應特性使它們可以作為SAW傳感器。

這些納米聲學傳感器具有成本低、靈敏度高、卓越的響應時間、緊湊的尺寸等優(yōu)點。此外，基于SAW的納米聲學傳感器還具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、選擇性和線性度，并提供合適的傳感表面叉指換能器（IDT）和壓電基板設計。

除了基于SAW的傳感器，其他納米聲學傳感器也在開發(fā)中。例如，科學家們開發(fā)了一種柔性壓力傳感器，通過在兩片聚二甲基硅氧烷（PMDS）之間封裝金納米線制成。這種納米聲學傳感器展示了響應速度快、穩(wěn)定性高、靈敏度高、功耗低等特點。這些特性結(jié)合機械柔性使該傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測心率，以及探測微小的振動。

未來展望

納米聲學操縱在納米制造和生物醫(yī)學等各種應用中展示了巨大的前景。不過，關(guān)于微通道內(nèi)產(chǎn)生SAW的基本原理的許多問題仍然沒有得到解答。

還需要進行更深入的研究，以提高我們對這些現(xiàn)象的理解。納米聲學的實際應用前景包括實現(xiàn)高精度和可控性的集成器件。

由于SAW傳感平臺的特性優(yōu)勢，面向提高選擇性的SAW器件功能化，有望成為一個重要的研究領域。SAW傳感研究應繼續(xù)探索新的傳感材料，以提高性能并擴大應用范圍。

此外，還需要增強當前基于SAW的納米聲學傳感器研究，因為其局限性之一是需要昂貴的電子檢測系統(tǒng)，如網(wǎng)絡分析儀，以有效記錄器件行為。因此，未來需要小型化便攜式數(shù)據(jù)采集器件，以捆綁到高度集成且具成本效益的系統(tǒng)中。

審核編輯 ：李倩