據麥姆斯咨詢介紹，隨著納米聲學性能的擴展和技術的完善，納米聲學應用正迅速發展。本文簡要探討了納米聲學技術及其應用，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生，利用逆壓電效應將電能轉換為聲能。

納米聲學背景

20世紀80年代，隨著納米科學的進步，納米技術開始受到學界各個領域的關注。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方法。

過去幾年來，各種納米材料的引入，賦能超聲技術支持各種疾病的診斷和治療，受到了越來越廣泛的關注，成為醫學超聲檢測的一個重要領域。如今，納米技術已經進入各種能夠監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，可用于開發聲學顯微鏡。這些顯微鏡具有與光學顯微鏡相近的分辨率。科學家們已經在顯微鏡中利用納米聲學這一概念開發了掃描聲學顯微鏡（SAM）。

早期使用SAM技術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。該技術主要用于生物學、結構內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。該技術可用于表征和映射納米級的機械性能。例如，根據最近的研究，該技術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楊氏模量。該技術的分辨率已高達10 nm。

納米聲學操縱

隨著納米制造、生物醫學和材料工程等納米技術的研究進展，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。

研究人員已經開發出許多替代策略來實現這些操縱功能，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缺點，相比之下，基于聲學的系統比其他技術存在若干優勢。例如，基于聲學的技術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構來執行。

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、緊湊的尺寸等優點。此外，基于SAW的納米聲學傳感器還具有優異的穩定性、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中。例如，科學家們開發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、穩定性高、靈敏度高、功耗低等特點。這些特性結合機械柔性使該傳感器能夠實時監測心率，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學等各種應用中展示了巨大的前景。不過，關于微通道內產生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象的理解。納米聲學的實際應用前景包括實現高精度和可控性的集成器件。

由于SAW傳感平臺的特性優勢，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，如網絡分析儀，以有效記錄器件行為。因此，未來需要小型化便攜式數據采集器件，以捆綁到高度集成且具成本效益的系統中。

審核編輯 ：李倩