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科学研究
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材料科学与工程学院余萍教授团队在Advanced Functional Materials上发表文章——在压电薄膜新型器件方面取得重要进展

时间:2019-12-17  来源:材料科学与工程学院   作者: 

近日,材料科学与工程学院余萍教授团队,与美国南加州大学、香港理工大学合作的“使用3D复杂结构的超薄压电敏感元来构建超声复杂声场的研究”课题相关成果,在国际著名材料期刊Advanced Functional Materials (IF=15.621)以原创性论著形式发表。该工作针对当前超声技术发展的趋势:新功能、高频以及器件微型化,首次提出利用复杂3D结构的超薄压电敏感元实现复杂的高频超声场。论文第一作者是材料学院专职博士后陈潇洋,材料学院余萍教授和美国南加州大学周岐发教授为共同通讯作者。伟德体育为该论文的第一署名单位。

图1. 文章首页信息

压电材料最重要应用之一就是超声换能器,超声换能器是超声技术应用的核心器件。特别是医学诊断、治疗及生物医学研究对精细成像、精准定位及生物组织内微粒操纵等方面的技术需求,促使超声换能器正向着高频甚至超高频、微型化及新功能的方向发展。近年来,基于3D打印技术发展的声学全息技术、声学超材料以及基于复杂算法的阵列技术使得超声波应用技术有了新的突破。这些新兴技术都涉及了一个关键点,构建新型复杂的三维声场。采用阵列技术的关键是需要研制出复杂的电学处理系统,而这个过程是非常耗时并且成本较高。相比压电阵列敏感元,采用3D打印技术可以快速有较的直接打印出具有复杂形状的声学镜头,利用镜头上每一点厚度的不同实现声场相位的差异,所获得的复杂声场的分辨率要远高于使用压电阵列敏感元的方法,但目前这项技术的关键点在于3D打印技术可提供的分辨率。目前上述两种技术都没办法很好同时实现复杂声场,高频以及微型化。该研究首次提出,使用复杂 3D 结构的超薄压电敏感元来实现高频复杂声场。自然界的漩涡是一种很复杂的运动,漩涡的特点是中心压力低,并且能产生很大的吸力将周围的物体快速吸引到漩涡中心。作者根据漩涡运动的特点,设计了三维螺旋状的超薄压电敏感元,如图2所示。

通过该压电敏感元设计超声换能器发射出了类似漩涡的高频声场,该声场不同于常规声场,可以将微米级微粒包括悬浮微粒在内,吸入到聚焦区域进行密堆积,并且可以对收集的微粒群进行二维操纵。不仅能够对无机的微粒进行收集及移动操作,而且可以快速集中分散在溶液中的生物细胞,如图3所示。该研究对发展高效的生物无损检测技术提供了支持,并为发展新型的高频复杂声场提供了新的研究途径。

图2: 利用三维螺旋状的超薄压电敏感元来实现高频复杂声场

图3: (a) 收集10微米的微粒; (b) 收集3微米的悬浮微米;(c) 对收集的3微米微粒进行水平移动;(d)对FB和HMSC细胞进行收集;

文章链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201902912

上述研究工作得到国家自然科学基金( u1601208, 51802204)的资助。



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