前沿科技之能“存放”声音的声学魔瓶

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科学日报报道，一种新型声波即将到来，它或可能具有广泛的应用前景，包括先进的超声成像和疗法，声隐身、声悬浮和操纵粒子。美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室的研究人员研发了一种新的技术在户外产生声学瓶子，后者能够沿着预定的凸状轨迹弯曲声波的路径。这项研究被发表在期刊《自然通信》上。

声波的移动方式和光波很相像。它们以直线的形式前进，但这个路径或可能通过折射、衍射或反射被弯曲，这便是超声波医疗成像和材料非破坏性测试的基础。近些年科学家们已经展开密切搜索，旨在提出能够沿着曲线轨迹弯曲声波的方法，从而满足超高分辨率成像、声隐形和其他应用的需要。名为”超材料”的人造纳米构建物已经被改造的能够充分弯曲声波，但这些材料的本质限制了它们的应用，尤其是用于生物领域。

“我们需要寻找不依赖高度改造的媒介来弯曲声波场的新方法，” 伯克利国家实验室材料科学部门主任张翔（Xiang Zhang）说道。“利用我们的局域空心光束技术，我们可以设计和人工合成声学瓶子，在无需超材料或者任何其它高度改造的媒介的前提下，指导声波沿着既定弯曲路径穿过齐性空间。” 美国加州大学伯克利分校Ernest S. Kuh讲席教授张翔指导了美国国家科学基金会的纳米科学与工程中心，他还是伯克利科维理能源纳米科学研究所（ENSI）的成员。他和他的研究小组因设计操控光和声的研究而获得国际社会的赞誉，这将产生某些非凡的结果——隐形斗篷设备，能够弯曲光线的等离子艾里光束，世界上第一个声学超透镜，能够永恒保持完美时间的四维晶体等。

在最新的研究里，张的研究小组里的三名成员张鹏（Peng Zhang）、李同仓（Tongcang Li）和朱杰（ Jie Zhu）创造了一种具有三维曲面外壳的声学“瓶子”，高声学压力的墙环绕着中间的零压力区域。 形成瓶子的声波集中成光束，可以穿过曲面外壳的高压墙。声波则由直径为1.5厘米、相距2.5厘米、发送频率为10千赫兹的扬声器阵列产生，通过精确调节扬声器阵列的相位描述，可以将它按照设定的轨道发射。

“因为调节相位阵列的原则已经非常成熟，且已经被用于超声波成像，我们可以将我们的声学局域空心光束技术应用于现有的声学系统，”研究首席作者张鹏这样说道。“我们的研究提供了随意控制声学能量流的新的自由度。”

由于声学瓶子的高压墙会产生牵引力，因此没有声波会经过瓶子内部无压力区，所以瓶子本身就可以用于声学捕获。此外，局域空心光束不会被区域内部放置的任何障碍物所影响，且当障碍物阻碍它的路径时，它甚至可以自我修复。

“我们的声学局域空心光束技术在需要获取隐藏在障碍物后面的难以够及的物体的应用方面，例如声学成像和通过非均匀介质的治疗性超声波，开辟了新的途径。”研究合作作者李说道。“我们还可以利用声学瓶子作为隐形设备，改变环绕物体的声波路径，然后以它的原始形式将其恢复，使得这一物体对声纳探测变得不可见。”

声学局域空心光束或可以在高科技领域里最炙手可热的应用——声悬浮里发挥作用，声悬浮是指声波被用于提升和操控毫米大小的物体，包括粒子、微生物和水滴。一项报告称将悬浮声波用于3D图像打印的技术在近期被认为是重大突破性进展。

“我们的声学局域空心光束可以实现相同目标，且具有更好的稳定性，能够实现真正的3D图形并拥有更多自由度，因为光束可以沿着曲线路径传播，”研究合作作者朱说道。“我们还可以悬浮更大的3D物体，这是其它声悬浮技术所无法实现的。”

这项研究的另一名合作作者杨岁（Sui Yang）表示这种可以围困比声学局域空心光束的半波长更大的物体的能力或可能为与材料相关的研究提供重要的新工具。“这些巨大的声学陷阱可能导致新技术和新设备的发展，以用于一系列领域，包括化学、材料以及生物科学，”杨说道。“例如，通过创造三维类似瓶子的声学陷阱，我们可以将它用作一个微化学反应器，对生物非法交易设备进行操控。”这项研究的其他合作作者还包括朱雪峰(Xuefeng Zhu)，王媛(Yuan Wang)和尹晓波（Xiaobo Yin）。这项研究得到了美国海军研究办公室MURI项目的支持。
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