MIT赵选贺和方绚莱联合团队发明可实现宽频超大范围可控阻抗匹配的声学超凝胶

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金属、聚合物、陶瓷和木材等传统的声学材料，通常需要被应用于包含固、液、气等多相材料的的复杂环境中。然而，这些传统声学材料一旦完成制造，其声学特性较难发生显著变化，因此存在声学材料和环境之间阻抗匹配的问题。在应用中，由于阻抗不匹配引起能量损失和脉冲混叠等问题，对声学成像和通信等应用造成巨大挑战。为了应对这一挑战，需要非常规的声学材料能根据工作环境介质和工作频率变化而实时改变其声阻抗的特性。特别是在水下声学和生物医学成像领域，为了提高信号转导的分辨率和效率，需要声学材料和水的阻抗相匹配。以往的研究表明，声阻抗可以通过在液体中嵌入夹杂物组成的超材料进行调整。然而，这些超材料结构的声学属性仍然是固定的，无法实时调整。虽然电/磁/力学耦合和结构变形等机制可实现固体材料声学性质的调节，但因为其可调节范围和频率有限，目前还没有可以在宽频下实现与空气、水和各种固体材料匹配的声学材料。

在近日发表在Advanced Functional Materials的文章中，北京理工大学特聘研究员张凯团队与MIT赵选贺教授团队和方绚莱教授团队合作，首次提出名为超凝胶（MetaGel）的新材料体系。该工作通过在韧性水凝胶基质中设计微结构通道，并填充各种流体介质，可在宽频范围内实现可调的接近空气-水-固体的声阻抗性能。由于水凝胶的主要成分是水(超过90%的体积占比)，水凝胶的密度和声波在其中的传播速度几乎与水的相同。因此，水凝胶和水的阻抗匹配优越于任何传统的声学材料。同时，水凝胶中的分子网络使水凝胶具有较好的弹性，从而可以保持水凝胶基体和基体中所填充介质的形状。因此，上述水凝胶独特属性的结合使MetaGel具有前所未有的可调声学性能。

图1. 包含微结构通道的韧性水凝胶设计原理图。A)均质水凝胶与水声阻抗匹配良好，几乎实现了水声的全透射。含微结构的超凝胶的等效声学特性可以通过在通道中充入各种液体，包括B)水、C)空气和D)液态金属等来调节，产生几乎全透射、全反射和透射反射结合的现象

同时，作者提出两种方法调节MetaGel的声学性能：1)改变通道中的填充物2)改变不同填充物的填充比。 

图2。不同填充材料的宽频可调声透射率。充满了水A)、空气B)和液态金属C) 的MetaGel。D)填充了水，空气，液态金属的MetaGel在不同频率的透射系数的实验结果与数值模拟结果。实线表示实验结果，虚线表示模拟结果。MetaGel结构中，圆形通道的直径为a = 2.2 mm，相邻两个通道之间的距离为L = 6.5 mm。

对于第一种调节方法，实验测量得到的能量透射率在50KHz-150kHz频率范围内在98.9%以上，表明MetaGel与水声的阻抗匹配几乎完美。相反，当MetaGel中的通道充满空气时，MetaGel的能量透射率在50KHz-150kHz频率范围中降为6%，入射声波几乎全部被反射。当在MetaGel中的通道内填充液态金属，平均透射系数约为90%。对于第二种调节方法，作者在固定孔道间距和直径的同时，改变填充水和空气的通道的比例, 实验测得当通道填充比例为N_water:N_air= 1:0, 1:3, 1:5, 1:8, 2:1，2:2、2:3, 0:1时， 50-150 kHz频率范围的透射系数实现了从0到1的覆盖。对相同的通道填充比例（N_water:N_air）进行的数值模拟（COMSOL）结果显示出和实验测量类似的趋势。除此之外，作者还建立了描述MetaGel透射系数的多重散射模型(MST)并验证了实验结果在宽频率范围内的正确性。

图3。通过改变填充比实现的宽频声透射率大范围可调的MetaGel。不同填充比的水下MetaGel （A-C）。水与空气的比例(N_water:N_air)分别为A) 1:2, B) 2:2, C) 2:1混合。D,E) 不同的填充比例下声透射系数的实验与数值模拟结果。圆形通道的直径a = 2.2 mm，相邻两个通道的距离L = 6.5 mm。

对于周期性结构传播介质，如果声波波长大于1倍晶格长度，MetaGel可以被认为是宏观上均匀的材料。图4画出了不同尺寸和填充比的MetaGel的声阻抗值。完全填充气体的MetaGel占据了声阻抗接近0的区域。完全填充水的MetaGel保持和水相同的阻抗, 和填充比例以及结构尺寸无关。填充液态金属的MetaGel的声阻抗值可随着液态金属填充比例而变化。通过调节填充介质、填充比例以及结构尺寸，MetaGel在宽频下的可调节阻抗范围覆盖了大量典型液体、固体，甚至接近气体的阻抗。

图4. 不同类型的典型固体、液体和气体和具有不同填充比例和不同尺寸的MetaGel的声阻抗。文中提出了六种具有不同结构特征的MetaGel。Ⅰ：a = 110 µm, L = 325 µm; Ⅱ：a = 110 µm, L = 115 µm; Ⅲ: a = 2.2 mm, L = 6.5 mm; Ⅳ: a = 3 mm, L = 6 mm; Ⅴ: a = 2.3 mm, L = 2.3 mm; Ⅵ: a = 3 mm, L = 3.1 mm

图5. MetaGel在超声成像中的应用。A)超声成像系统的示意图。图中使用了填充水/空气的MetaGel。4MHz超声成像频率下，成像目标可以通过完全填充水的MetaGel清晰成像B），当MetaGel填充空气时图像消失C)。B和C中的标尺是12mm，B和C中的灰度条代表了动态范围（成像信号的最大值和最小值的差）

作者展望

作者提出了在韧性水凝胶内部设计用于填充空气、水和液态金属的通道的方法来制备MetaGel, 从而实现宽频下可调节的匹配空气、水和固体的声学性能。在如图5所示的超声波实验中（声波频率为4MHz），当MetaGel通道中填满水时，青蛙可以通过超声探头清晰地成像，一旦通道充满空气，青蛙图像消失。 由此可见，MetaGel可以用作超声波成像的快门，按照需求实现目标物体的成像窗口“开”和“关”，选择性地屏蔽不需要的强散射区域，最终实现具有更强的对比度的超声成像。

除了前所未有的宽频可调透射率，作者提出的MetaGel还具备低成本，环境友好，人体组织兼容的优点。将来，采用更复杂的2D和3D的通道和更多的填充物种类（例如硅油或者甘油）可能会带来更宽的声学属性调节范围。文章中提出的MetaGel的设计方法和材料系统为未来声学材料的设计和应用开启了一种新的方式，将会极大促进新型水下设备和医疗成像设备的发展。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201903699

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