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如何掰弯声音？
过去，科学家只了解一种弯曲的光束：艾里光束（Airy beams）及其衍生物。艾里光束在传播过程中不会发生衍射，因而不会扩散开来，而且艾里光束还具有自弯曲加速的特性，其路径会形成抛物线形状。2007年，中佛罗里达大学的科研人员首次在实验中实现了艾里光束[1]。
艾里光束 | 来源：Wikipedia
由于艾里光束具有这些独特的物理性质，这种光束可用于操控微小的颗粒，并应用于微流体器件与细胞生物学中。但是要获得这种弯曲的光束需要复杂的设备。因此，全世界的研究人员都在努力寻找更方便的方法以获得能够弯曲的光束。
不论是对于基础研究还是工程应用，开发新的弯曲光束都是一个新鲜有趣并充满机遇的挑战。在2018年，来自俄罗斯托木斯克理工大学和托木斯克国立大学的研究人员在理论上预测了一种像弯钩一样的新型自加速光束。因为它是一种弯曲的电磁波，所以被命名为“光钩”。在那之后，他们一直试图寻找一种弯曲的声波束。近日，他们终于在这一领域取得了突破[2, 3]。
研究人员将这种声波束命名为“声钩（acoustical hooks）”。要获得这种弯曲的声波束，他们使用了一种名为Rexolite的塑料介电材料制成的形状不对称的微颗粒。在实验中，研究人员把这些1-2厘米大小的颗粒放到水中，并对其施加250kHz的超声波。由于颗粒形状是弯曲的，声波穿过时会弯曲成钩状再离开。
实验装置及测量结果：声波在样品中传播时向一个方向偏转，从而实现声钩。[2]
相比于艾里光束，要得到这种弯曲的声波束要容易得多。而且这种声钩技术可以用于艾里光束无法应用的场景中。目前，这项技术的主要应用是生物医学、新材料合成，以及利用超声波在亚波长尺度进行纳米颗粒的操控。下一步，研究人员将通过实验验证声钩对于颗粒操控的效果。此外，这种声钩技术也可以绕开在声波传播路径上的某个特定物体，实现类似声隐形的效果。
事实上，利用声波来操控宏观物体亦或微纳米颗粒并不是什么新鲜事。声波会对其传播路径上物体施加体积力，也就是所谓的声辐射力（acoustic radiation force）。特别是当声波形成驻波时，声辐射力会将物体推到驻波的节点处（某些情况下会推到反节点处）。这一推动力可以大到克服宏观物体的重力，实现“声悬浮”的效果。
例如，研究人员曾经将昆虫放置到两个相对的声波发生器（类似于扩音器）之间，当声波的频率和功率合适时，可以将昆虫悬浮于半空中，实现失重的效果。可想而知，如果有合适的装置，将人悬浮起来也不是不可能。
利用超声波悬浮瓢虫[4]
而在微纳领域，我们也可以设计合适的微纳器件来产生超声波，将微纳米颗粒悬浮于溶液和空气中，或者将颗粒推动并限制在某一特定的位置，后一技术被称作声镊（acoustic tweezer）。因为可以方便、无接触地操控细胞、细菌、水藻、线虫等微纳尺度的物体，声镊技术近年来在生物学领域有着巨大的应用潜力，也能够应用于颗粒筛选、微纳制造等领域。
四组叉指电极产生超声波，可以在二维平面上将微纳米颗粒束缚在特定位置。[5]
[1]《几类艾里光束的传输特性研究》，南京航空航天大学硕士论文，2017[2] Rubio, Constanza, et al. "Acoustical hooks: a new subwavelength self-bending beam." Results in Physics (2020): 102921.[3] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-01/tpu-nto012720.php[4] https://www.nature.com/news/2006/061127/full/061127-6.html[5] https://scitechdaily.com/acousti ... s-to-control-items/
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发表于 2020-2-4 05:16
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