基于多维复杂声场实现对微流体器件的操控

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所劳特伯影像中心郑海荣课题组在基于人工周期结构的复杂声场操控微流体方面取得系列进展，在权威期刊Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics连续发表文章：《声子晶体增强近边界流动用于声孔效应的研究》（Phononic Crystal-enhanced Near-boundary Streaming for Sonoporation, Applied Physics Letters, 2018, 113, 083701），(Front Cover, Featured, Breaking Research)；《声子晶体操控微颗粒快速声泳运动的研究》（Rapid acoustophoretic motion of microparticles manipulated by phononic crystals, Applied Physics Letters, 2018, 113, 173503）；《双声子晶体板亚波长狭缝结构中的超快速类Rayleigh流动的研究》（Ultrafast Rayleigh-like streaming in a sub-wavelength slit between two phononic crystal plates, Journal of Applied Physics, 2019, 125, 134903）。李飞副研究员为文章第一作者，郑海荣研究员和蔡飞燕研究员为文章通讯作者。

图1（a）Applied Physics Letters期刊封面；（b）颗粒在声子晶体调制声场中的声泳运动示意图和计算得到的不同尺寸颗粒的运动轨迹；（c）双声子晶体板亚波长狭缝中的声压场p1、声质点速度场u1和超快速类Rayleigh流场u2

利用光、声场设计进行非接触的操控具有重大科研和应用价值，光镊操控技术获2018年诺贝尔物理学奖。声镊或者声操控技术是利用声场中的颗粒对声波产生的反射、折射、吸收等效应引起的动量在声波与颗粒之间交换，通过颗粒受到的力的作用对其进行操控。声波操控在操控距离、穿透生物体和操控通量方面具有特殊优势。

声子晶体（人工周期结构）是具有声子带隙的人造周期弹性介质结构。利用声波在不同周期结构材料中的传播规律，以及不同材料的组元及其结构对能带结构及带隙的调控机制，可以精确设计优化声子晶体对多维复杂声场形态进行调制，从而控制声波的传播和分布。在前期研究中，研究团队利用声子晶体在声场形态调控方面的优异特性，首次提出“声筛”概念（Physical Review Applied, 2014, 1, 051001, Highlights, Featured in Physics, Applied Physics Letters, 2011, 99, 253505），通过设计制造的声子晶体板共振激发强梯度周期声场，产生高度局域化的声辐射力，实现了对亚波长大量微纳米颗粒的批量操控和筛选。

（a）高功率下的声流微涡旋

（b）低功率下的声流微涡旋

图2声子晶体调制声场诱发的声流微涡旋

受前期“声筛“研究的启发，课题组进一步设想通过特定设计的声子晶体操控复杂声场形态以实现对微流场结构的定量调控。研究人员基于声子晶体单板或者双板耦合共振产生的周期局域声场，在理论和实验中证实了声子晶体调制声场对近边界和空间多维微涡旋流场灵活调控的可行性：研究团队通过显著改进沿细胞边界的切向声场梯度，增强了近边界微涡旋流场剪切力，实现了大规模细胞的可修复声孔效应；阐明了颗粒在声子晶体调制声场中快速声泳运动的机制，证实了随着颗粒尺寸的增加，声泳运动从声流拽力主导过渡至声辐射力主导；系统研究了双声子晶体板共振模式对微涡旋流场的影响，发现反相耦合模式产生的强局域声场诱发了一种超快速类Rayleigh流，其与经典Rayleigh流的流场结构相似，但最大速度却高4个数量级，且具有更小的涡旋尺寸。

该系列工作可为发展基于声子晶体的新型微流体器件提供理论基础和技术支撑，在快速混合、细胞/颗粒筛选、药物输运、基因转染、神经刺激、细胞操控等生物医学应用方面具有重要应用前景。

该研究工作与广州医科大学、广东工业大学以及美国佛蒙特大学、华盛顿大学等单位研究人员合作完成，得到了国家自然科学基金委面上、重点基金等项目的资助。