近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所勞特伯影像中心鄭海榮課題組在基于人工周期結(jié)構(gòu)的復(fù)雜聲場操控微流體方面取得系列進(jìn)展，在期刊Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics 連續(xù)發(fā)表文章：《聲子晶體增強(qiáng)近邊界流動(dòng)用于聲孔效應(yīng)的研究》（Phononic Crystal-enhanced Near-boundary Streaming for Sonoporation, Applied Physics Letters, 2018, 113, 083701），(Front Cover, Featured, Breaking Research)；《聲子晶體操控微顆粒快速聲泳運(yùn)動(dòng)的研究》（Rapid acoustophoretic motion of microparticles manipulated by phononic crystals, Applied Physics Letters, 2018, 113, 173503）；《雙聲子晶體板亞波長狹縫結(jié)構(gòu)中的超快速類Rayleigh流動(dòng)的研究》（Ultrafast Rayleigh-like streaming in a sub-wavelength slit between two phononic crystal plates, Journal of Applied Physics, 2019, 125, 134903）。副研究員李飛為文章第一作者，研究員鄭海榮和蔡飛燕為文章通訊作者。

　　利用光、聲場設(shè)計(jì)進(jìn)行非接觸的操控具有重大科研和應(yīng)用價(jià)值，光鑷操控技術(shù)獲2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。聲鑷或者聲操控技術(shù)是利用聲場中的顆粒對聲波產(chǎn)生的反射、折射、吸收等效應(yīng)引起的動(dòng)量在聲波與顆粒之間交換，通過顆粒受到的力的作用對其進(jìn)行操控。聲波操控在操控距離、穿透生物體和操控通量方面具有特殊優(yōu)勢。

　　聲子晶體（人工周期結(jié)構(gòu)）是具有聲子帶隙的人造周期彈性介質(zhì)結(jié)構(gòu)。利用聲波在不同周期結(jié)構(gòu)材料中的傳播規(guī)律，以及不同材料的組元及其結(jié)構(gòu)對能帶結(jié)構(gòu)及帶隙的調(diào)控機(jī)制，可以精確設(shè)計(jì)優(yōu)化聲子晶體對多維復(fù)雜聲場形態(tài)進(jìn)行調(diào)制，從而控制聲波的傳播和分布。在前期研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用聲子晶體在聲場形態(tài)調(diào)控方面的優(yōu)異特性，首次提出“聲篩”概念（Physical Review Applied, 2014, 1, 051001, Highlights, Featured in Physics, Applied Physics Letters, 2011, 99, 253505），通過設(shè)計(jì)制造的聲子晶體板共振激發(fā)強(qiáng)梯度周期聲場，產(chǎn)生高度局域化的聲輻射力，實(shí)現(xiàn)了對亞波長大量微納米顆粒的批量操控和篩選。

　　受前期“聲篩”研究的啟發(fā)，課題組進(jìn)一步設(shè)想通過特定設(shè)計(jì)的聲子晶體操控復(fù)雜聲場形態(tài)以實(shí)現(xiàn)對微流場結(jié)構(gòu)的定量調(diào)控。研究人員基于聲子晶體單板或者雙板耦合共振產(chǎn)生的周期局域聲場，在理論和實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了聲子晶體調(diào)制聲場對近邊界和空間多維微渦旋流場靈活調(diào)控的可行性：研究團(tuán)隊(duì)通過顯著改進(jìn)沿細(xì)胞邊界的切向聲場梯度，增強(qiáng)了近邊界微渦旋流場剪切力，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模細(xì)胞的可修復(fù)聲孔效應(yīng)；闡明了顆粒在聲子晶體調(diào)制聲場中快速聲泳運(yùn)動(dòng)的機(jī)制，證實(shí)了隨著顆粒尺寸的增加，聲泳運(yùn)動(dòng)從聲流拽力主導(dǎo)過渡至聲輻射力主導(dǎo)；系統(tǒng)研究了雙聲子晶體板共振模式對微渦旋流場的影響，發(fā)現(xiàn)反相耦合模式產(chǎn)生的強(qiáng)局域聲場誘發(fā)了一種超快速類Rayleigh流，其與經(jīng)典Rayleigh流的流場結(jié)構(gòu)相似，但最大速度卻高4個(gè)數(shù)量級(jí)，且具有更小的渦旋尺寸。

　　該系列工作可為發(fā)展基于聲子晶體的新型微流體器件提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，在快速混合、細(xì)胞/顆粒篩選、藥物輸運(yùn)、基因轉(zhuǎn)染、神經(jīng)刺激、細(xì)胞操控等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面具有重要應(yīng)用前景。

　　該研究工作與廣州醫(yī)科大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)以及美國佛蒙特大學(xué)、華盛頓大學(xué)等單位研究人員合作完成，得到國家自然科學(xué)基金委面上、重點(diǎn)基金等的資助。

    圖1（a）Applied Physics Letters期刊封面；（b）顆粒在聲子晶體調(diào)制聲場中的聲泳運(yùn)動(dòng)示意圖和計(jì)算得到的不同尺寸顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡；（c）雙聲子晶體板亞波長狹縫中的聲壓場p₁、聲質(zhì)點(diǎn)速度場u₁和超快速類Rayleigh流場u₂ 

（a）高功率下的聲流微渦旋            （b）低功率下的聲流微渦旋 

圖2 聲子晶體調(diào)制聲場誘發(fā)的聲流微渦旋