具有负折射率的三维软声学超材料.ppt

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1、具有负折射率的三维软声学超材料具有负折射率的三维软声学超材料文献来源：Thomas Brunet,Aurore Merlin.Soft 3D acoustic metamaterial with negative index.Nature Materials144,384-388(2015).目录 研究背景1 实验过程2 结论3研究背景研究背景自自21世世纪纪初初，许许多多科科学学家家致致力力于于设设计计并并得得到到具具有有负负折折射射率率的的超超材材料料。目目前前的的挑挑战战之之一一是是通通过过实实现现具具有有负负声声学学指指标标的的三三维维介介质质，来来扩扩展展超超出出电电磁磁学学的的领领

2、域域。通通过过三三维维软软声声学学超超材材料料的的使使用用，可可以以制制得得具具有有负负的的或或零零值值指指标标的的声声学学器器件件，从从而而实现如实现如亚波长成像亚波长成像、转换声学转换声学和和理想声透镜理想声透镜等的应用。等的应用。在在电电磁磁和和声声学学中中，折折射射率率n值值被被定定义义为为在在材材料料中中的的复复数数波波数数k（=/V+J）与与参参考考介介质质中中的的K0（=/V0+J0）的的比比值值，其其中中V为为相相速速度度，代代表表衰衰减减系系数数，是是角角频频率率。对对于于一一个个非非耗耗散散的的参参考考介介质质（0=0），折折射射率率n=V 0/V+J（V 0/）通通常常指

3、指的的是是它它的的实实部部（=V 0/V）。按按照照惯惯例例，其其虚虚部部为为正正（0），因此前进方向是沿着波能量流动的方向。），因此前进方向是沿着波能量流动的方向。常常规规的的耗耗散散介介质质或或正正折折射射率率材材料料只只支支持持正正向向波波（V0）。然然而而，超超材材料料可可以以在在粒子共振光谱附近维持后向波（粒子共振光谱附近维持后向波（V0）；这样的材料被称为）；这样的材料被称为负折射率材料负折射率材料。本本实实验验是是基基于于软软质质技技术术，设设计计得得到到了了由由大大孔孔微微球球浓浓缩缩悬悬浮浮液液所所组组成成的的一一类类局局部部共共振振超超声声的的超超液液体体。超超材材料料的的

4、负负指指数数源源自自亚亚波波长颗粒的低频共振。长颗粒的低频共振。软质技术软质技术软软质质技技术术在在超超材材料料制制备备上上非非常常有有前前途途，其其呈呈现现以以下下优优点：点：不不像像最最普普通通的的一一类类声声学学超超液液体体具具有有各各向向异异性性的的惯惯性性，其具有其具有宏观各向同性宏观各向同性；广广泛泛的的通通用用性性，可可以以作作为为微微流流控控芯芯片片实实现现控控制制了了尺尺寸寸、形状和组成的微谐振器的规模化生产；形状和组成的微谐振器的规模化生产；潜潜在在的的可可调调性性，作作为为软软质质包包裹裹体体在在外外界界刺刺激激下下可可以以变变形或定型；当主基质是液体时，容易塑造和成型。

5、形或定型；当主基质是液体时，容易塑造和成型。三维负声学指数超材料三维负声学指数超材料实实现现三三维维负负声声学学指指数数超超材材料料的的一一个个独独特特的的方方法法是是采采用用“超超慢慢”包包裹裹体体的的强强低低频频米米氏氏共共振振（单单极极和和偶偶极极）。实实验验中中使使用用多多孔孔软软硅硅橡橡胶胶，因因为为在在多多孔孔介介质质中中的的声声速速是是非非常常低低的的，取取决决于于弹弹性性模模量量和和质质量量密密度度之之间间的的比比率率。事事实实上上，大大量量的的多多孔孔材材料料中中存存在在的的空空气气腔腔导导致致它它们们是是非非常常柔柔软软的的（或或高高度度可可压压缩缩），从从而而使使这这些些

6、材材料料表表现现出出非非常常低低的的弹弹性性模模量量，同同时时因因为为它它们们的的固固体体骨骨架架而而保保持持相相对对高高的的质质量量密密度度。组组成成这这种种“超超慢慢材材料料”（V1100ms1）的的颗颗粒粒随随机机分分散散在在水水中中（V01500ms1），应应该该表表现现出出一一个个非非常常大大的的单单极极共共振振，像像气气泡泡，使使悬悬浮浮液液表表现现出出负负的的有有效效体体积积模模量量B。这这些些相相当当密密集集的的粒粒子子也也应应该该具具有有很很强强的的偶偶极极共共振振，在在重重叠叠的的频频率率区区域域产产生生负负的的有有效效质质量量密密度度。如如果果认认为为它它们们是是理理想想

7、的的的的介介质质，这这种种“双双负负声声学学超超材材料料”预计将有负声学指标。预计将有负声学指标。实验过程实验过程试验中，试验中，我们利用亚波长大孔硅胶微球在超声域内的强低频米氏共振来制得负折射材料。我们利用亚波长大孔硅胶微球在超声域内的强低频米氏共振来制得负折射材料。通通过过在在一一个个简简单单的的微微流流控控装装置置内内产产生生高高内内相相乳乳化化液液滴滴，得得到到了了平平均均半半径径为为160m，尺尺寸寸分分散散约约为为25%(图图.1a,b)的的颗颗粒粒。这这些些孔孔隙隙率率大大约约为为40%的的大大孔孔微微球球，随随机机分分散散在在一一种种水水性性凝凝胶胶基基质质，形成了体积分数形成

8、了体积分数 0约为约为20%的，由超慢粒子组成的浓缩悬浮液。的，由超慢粒子组成的浓缩悬浮液。为为了了确确定定所所研研究究的的大大孔孔颗颗粒粒悬悬浮浮液液的的声声折折射射率率n，测测量量了了高高斯斯脉脉冲冲在在通通过过不不同同厚厚度度的的直直接接声声接接触触传传播播中中的的角角相相移移。用用一一种种直直径径30mm的的大大型型宽宽带带超超声声换换能能器器（发发射射器器/接接收收器器）来来发发射射和和探探测测中中心心频频率率f0从从50kHz至至500kHz的的超超声声波波。由由于于大大孔孔颗颗粒粒的的尺尺寸寸是是300m，比比试试验验中中最最小小的的入入射射波波长长小小十十倍倍，实实验验的的微微

9、球球可可以以认认为为是是用用于于寻寻找找超超材材料料的的亚亚波波长长谐谐振振器器。当当传传输输距距离离z的的变变化化从从1.0mm1.5mm，传传输输时时间间信信号号在在时时滞滞轴轴上上移移动动，使使得得我我们们可可以以直直接接推推断断相相速速度度v和和声声学学指指标标n（=V0/V）。）。Figure 1 a,Optical microscopy image of macroporous silicone rubber microbeads embedded in a water-based gel matrix.b,Corresponding histogram showing the m

10、icrobead size distribution.c,d,Scanning electron microscope images of both the surface and core of a microbead,respectively.e,Photograph of the acoustical experimental set-up for the in situ measurements of phase velocity.所所有有操操作作频频率率f0为为140kHz(图图2a)，发发射射脉脉冲冲幅幅度度随随着着传传播播距距离离z增增加加而而减减少少。然然而而，包包含含相相速速

11、度度v的的信信息息的的脉脉冲冲振振荡荡的的时时间间变变化化取取决决于于频频率率f0。在在我我们们的的试试验验中中，通通过过调调查查“稀稀”的的样样品品，我我们们能能够够清清楚楚地地推推断断出出相相速速度度，因因为为测测得得的的相相位位延延迟迟（0.1s）比比发发送送信信号号的的时时间间周周期期（1s）小小得得多多。因因为为所所有有的的振振荡荡偏偏移移作作为为一个整体，所以将脉冲中部表示为振幅是零的一个整体，所以将脉冲中部表示为振幅是零的t相位，如相位，如图图 2b-d所示。所示。观观察察到到三三维维t相相位位在在110kHz下下的的的的顺顺向向位位移移（图图2b)表表明明了了一一个个正正的的相

12、相速速度度（或或正正的的声声学学指指数数，图图2e）。相相比比之之下下，在在170kHz下下的的t相相位位后后移移显显示示了了一一个个负负的的相相速速度度（或或负负的的声声学学指指数数，图图2g)。在在中中间间频频率率f0=140kHz下下，发发送送的的脉脉冲冲不不在延时坐标平移（在延时坐标平移（图图2c），说明），说明“无限无限”的相速度（或零声学指标，的相速度（或零声学指标，图图2f）。）。Figure 2 a,Examples of typical measured ballistic coherent pulses(f0=140kHz)bd,Zoomed-in views of the

13、 oscillations around t phase for f 0=110,140 and 170kHz,respectively.eg,Values of the time t phase as a function of the propagation distance z,yielding experimental values for the phase velocity v(=z/t phase)and acoustic index n(=v 0/v)from linear regressions for f 0=110,140 and 170kHz,respectively.

14、通通过过对对两两个个不不同同传传播播距距离离的的时时间间的的信信号号的的记记录录进进行行快快速速傅傅立立叶叶变变换换（FFT）执执行行的的角角相相位位测测量量，我我们们也也得得到到了了相相速速度度和和在在很很宽宽的的频频率率范范围围内内（50500kHz）的的声声学学指指标标光光谱谱。相相速速度度v和和声声学学指指标标n（=V 0/V）是在）是在-275kHz到到-140kHz之间（参见之间（参见图图3a，b的黑色曲线）。的黑色曲线）。最最初初的的样样本本（020%）被被稀稀释释成成115%的的另另一一个个样样本本，这这导导致致了了负负频频带带的的频频率率宽宽度度明明显显减减少少（见见图图3a

15、,b的的红红色色曲曲线线）。当当体体积积分分数数明明显显降降低低（20.2%），负负的的特特征征消消失失（见见图图3a，b绿绿色色曲曲线线）,如如之之前前在泡状介质中所见的一样，产生了经典色散。在泡状介质中所见的一样，产生了经典色散。Figure 3 a,Experimental phase velocities v extracted from fast Fourier transforms performed on ultrasonic Gaussian pulses with central frequencies f 0 ranging from 50kHz to 500kHz.b,E

16、xperimental acoustic indices n(=v 0/v)deduced from the above phase-velocity spectra(a)given the knowledge of the phase velocity of the host matrix(v 0 1,500ms 1).最最后后，我我们们通通过过多多重重散散射射模模型型比比较较了了声声学学测测量量与与理理论论预预测测，结结果果显显示示了了相相当当良好的一致性（良好的一致性（图图3ad）。）。为为了了获获得得理理论论声声学学指指数数n，使使用用WatermanTruell 公公式式来来计计算算

17、样样品品的的有有效效波波数数k。用用相相同同材材料料的的微微球球做做成成大大型型圆圆柱柱试试样样（30mm厚厚直直径径3mm）来来测测量量计计算中用到的多孔硅橡胶的一些参数（速率和纵波和横波的衰减系数）。算中用到的多孔硅橡胶的一些参数（速率和纵波和横波的衰减系数）。计计算算中中所所用用到到的的参参数数为为，对对于于多多孔孔硅硅橡橡胶胶：1=600kgm 3,vL=80ms 1,L=60Npmm 1 MHz 1.5（纵纵波波），vT=40ms 1,T=200Npmm 1 MHz 1.5（剪切波）；对于水基凝胶基质：（剪切波）；对于水基凝胶基质：0=1,000kgm3,v0=1500ms 1 c,

18、d,Predicted phase velocities and acoustic indices,respectively,calculated in the framework of multiple scattering(see the WatermanTruell formula given in the Supplementary Information).结论结论通通过过对对软软声声材材料料直直接接脉脉冲冲传传播播的的实实验验，证证实实了了相相速速度度在在很很宽宽的的超超声声频频率率带带宽宽范范围围内内是是负负的的，因因此此证证明明其其是是一一个个三三维维负负声声学指标超材料。学指标超材料。我我们们的的方方法法是是基基于于软软物物质质技技术术的的使使用用，这这意意味味着着用用到到的的超超液液体体能能被被大大规规模模生生产产。正正如如亚亚波波长长成成像像与与转转换换声声学学等等关关键键应应用用所需，这也为具有负或零值的声学器件的生产铺平了道路。所需，这也为具有负或零值的声学器件的生产铺平了道路。