这篇论文的研究内容由德国德累斯顿弗劳恩霍夫光子微系统研究所的Anton Melnikov及其团队完成，研究成果发表在《Scientific Reports》期刊上。研究的核心是微声学超材料的设计与制造，特别是针对在强热粘性效应下的异常折射现象的优化。随着微声学超材料（microacoustic metamaterials）的发展，研究者们发现这些材料在操控声波前沿方面具有巨大的潜力，尤其是在超高频超声成像和扁平声学透镜等应用中。然而，随着频率的增加，热粘性效应的影响也愈加显著，这导致了设计过程中的一系列挑战。传统的声学超材料设计往往忽视了这些效应，导致在实际应用中性能不佳。因此，如何在设计阶段充分考虑热粘性效应，成为了该研究的关键问题。
本研究的主要目标是设计出能够在2 MHz频率下将正常入射声波折射至-35°的微声学超材料。研究团队提出了两种不同的设计方案，分别基于单体和双体超原子（meta-atom）。为了实现这一目标，研究者们采用了形状优化技术，并在每次迭代中引入线性化的纳维-斯托克斯方程，以确保在几何演变过程中充分考虑热粘性效应。初始几何形状的选择是中性的，以确保在优化过程中热粘性效应的影响能够贯穿始终。
在优化过程中，研究者们使用了COMSOL Multiphysics软件，通过有限元法（FEM）对超材料的几何形状进行优化，旨在最大化声波向-1次衍射方向的传输效率。研究团队还利用Nanoscribe公司Photonic Professional GT2的双光子聚合技术成功制造了两种不同的微声学超材料，并对其进行了实验验证。实验结果表明，单体超原子（S1）的最大传输效率为0.76，双体超原子（S2）的最大传输效率为0.65。尽管S2的理论性能更优，但在实验中未能完全实现预期的效果，显示出在制造和组装过程中可能存在的误差和不确定性。
在研究过程中，团队面临了多个挑战。首先，热粘性效应在微声学超材料中变得尤为重要，尤其是在超高频范围内。研究者们发现，当斯托克斯边界层的厚度接近通道的尺寸时，粘性效应的影响显著增加，这对超材料的设计提出了更高的要求。其次，传统的优化方法往往是分步进行的，首先使用亥姆霍兹方程确定最佳几何形状，然后再进行微调以考虑热粘性损失。这种方法可能导致最终的几何形状并非全局最优。为了解决这一问题，研究团队采用了全新的优化策略，从一开始就将热粘性效应纳入考虑，确保几何形状的演变能够更自然地反映出实际物理过程。
研究团队通过两光子聚合技术成功制造了两种不同的微声学超材料，并对其进行了实验验证。实验结果表明，单体超原子（S1）的最大传输效率为0.76，双体超原子（S2）的最大传输效率为0.65。尽管S2的理论性能更优，但在实验中未能完全实现预期的效果，显示出在制造和组装过程中可能存在的误差和不确定性。
本研究的成果为微声学超材料的设计与应用提供了新的思路，尤其是在超高频超声成像和声学光谱学等领域。通过在设计阶段充分考虑热粘性效应，研究者们展示了如何提高超材料的性能和效率。未来，随着制造技术的进步和优化算法的改进，微声学超材料有望在更广泛的应用中发挥重要作用。此外，研究团队还指出，尽管当前的实验结果与理论预期存在一定差距，但这为未来的研究提供了宝贵的经验教训。通过进一步优化实验设置和制造工艺，研究者们相信可以实现更高效的超材料设计，推动声学超材料在实际应用中的发展。
总的来说，其研究为微声学超材料的设计与应用开辟了新的方向。通过创新的优化方法和实验验证，研究者们不仅确认了热粘性效应在超材料设计中的重要性，还为未来的研究提供了坚实的基础。随着技术的不断进步，微声学超材料在声学成像、声学光谱学等领域的应用前景将更加广阔。
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https://doi.org/10.1038/s41598-023-44448-1