纳米声学技术及其应用

据麦姆斯咨询介绍，随着纳米声学性能的扩展和技术的完善，纳米声学应用正迅速发展。本文简要探讨了纳米声学技术及其应用，包括纳米声学传感、纳米声学操纵和纳米声学表征，并对其未来趋势进行了展望。

什么是声学？

“声学（Acoustics）”一词源于希腊语单词“Akoustos”，意思是“听得见的”。声学是一门研究声音的产生、传播、控制和效果的科学。声学涵盖一系列主题，包括噪声控制、医学领域的超声波、热声制冷、生物声学、导航声纳、纳米声学、地震学和电声通信等。

超声波的频率高于人耳听力范围（高于20 kHz）。通常，超声波通过采用压电材料的换能器产生，利用逆压电效应将电能转换为声能。

纳米声学背景

20世纪80年代，随着纳米科学的进步，纳米技术开始受到学界各个领域的关注。用于超声研究的纳米材料和纳米器件，彻底改变了应用超声波的传统方法。

过去几年来，各种纳米材料的引入，赋能超声技术支持各种疾病的诊断和治疗，受到了越来越广泛的关注，成为医学超声检测的一个重要领域。如今，纳米技术已经进入各种能够监测和控制纳米颗粒的超声波仪器。

纳米声学应用

纳米声学表征

扫描声学显微镜（SAM）

高频声波的波长较短，可用于开发声学显微镜。这些显微镜具有与光学显微镜相近的分辨率。科学家们已经在显微镜中利用纳米声学这一概念开发了扫描声学显微镜（SAM）。

早期使用SAM技术的显微镜最高可以提供10 μm的分辨率。后来，改进后的版本可以在高达260 nm的波长下工作。该技术主要用于生物学、结构内成像和光学不透明样品的表征。

原子力声学显微镜（AFAM）

SAM的分辨率有限。因此，为了在亚微米分辨率下表征材料特性，使用了另一种被称为原子力声学显微镜（AFAM）的技术。该技术可用于表征和映射纳米级的机械性能。例如，根据最近的研究，该技术已被用于精确测量纳米级分辨率的纳米晶铁氧体等材料的动态杨氏模量。该技术的分辨率已高达10 nm。

纳米声学操纵

随着纳米制造、生物医学和材料工程等纳米技术的研究进展，操纵纳米颗粒、纳米液滴和纳米细胞正变得至关重要。这些操纵功能包括纳米物体的定向、捕获、分类、富集和组装等。

研究人员已经开发出许多替代策略来实现这些操纵功能，可分为电学、光学、微流体、磁学、原子力显微镜、机械和声学方法。

每种方法都有其自身的优缺点，相比之下，基于声学的系统比其他技术存在若干优势。例如，基于声学的技术可以提供多种操纵功能。这些方法也不需要特定的样本属性，可以通过简单的器件结构来执行。

纳米声学传感

声表面波（SAW）器件可以对机械、电气、化学信号和其他扰动做出响应。这些器件的响应特性使它们可以作为SAW传感器。

这些纳米声学传感器具有成本低、灵敏度高、卓越的响应时间、紧凑的尺寸等优点。此外，基于SAW的纳米声学传感器还具有优异的稳定性、选择性和线性度，并提供合适的传感表面叉指换能器（IDT）和压电基板设计。

除了基于SAW的传感器，其他纳米声学传感器也在开发中。例如，科学家们开发了一种柔性压力传感器，通过在两片聚二甲基硅氧烷（PMDS）之间封装金纳米线制成。这种纳米声学传感器展示了响应速度快、稳定性高、灵敏度高、功耗低等特点。这些特性结合机械柔性使该传感器能够实时监测心率，以及探测微小的振动。

未来展望

纳米声学操纵在纳米制造和生物医学等各种应用中展示了巨大的前景。不过，关于微通道内产生SAW的基本原理的许多问题仍然没有得到解答。

还需要进行更深入的研究，以提高我们对这些现象的理解。纳米声学的实际应用前景包括实现高精度和可控性的集成器件。

由于SAW传感平台的特性优势，面向提高选择性的SAW器件功能化，有望成为一个重要的研究领域。SAW传感研究应继续探索新的传感材料，以提高性能并扩大应用范围。

此外，还需要增强当前基于SAW的纳米声学传感器研究，因为其局限性之一是需要昂贵的电子检测系统，如网络分析仪，以有效记录器件行为。因此，未来需要小型化便携式数据采集器件，以捆绑到高度集成且具成本效益的系统中。

审核编辑 ：李倩