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教授及其团队完成，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优化，特别是针对在强热粘性效应下的异常折射现象。随着微声学超材料的快速发展，研究者们开始探索如何利用这些材料来操控声波的传播特性。微声学超材料，尤其是声学超光栅，因其能够在超高频率下有效操控声波而受到广泛关注。这项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°的微声学超光栅。
研究团队采用了形状优化技术，结合线性化的纳维-斯托克斯方程，在每次迭代中从中性几何形状出发，逐步优化超光栅的几何特征。这种方法确保了在设计过程中充分考虑热粘性效应，这在微声学超材料的设计中是一个重要的挑战。随着结构尺寸的减小，热粘性效应的影响显著增加，导致声波传播中的损失加大。因此，研究者们在优化过程中从一开始就将热粘性效应纳入考虑，以确保最终设计的有效性。
在设计过程中，研究团队提出了两种不同的微声学超光栅设计，分别为单体（S1）和双体（S2）几何结构。通过使用COMSOL多物理场软件，研究者们对这两种设计进行了数值模拟和优化。优化的目标是最大化-1次衍射模式的能量传输。在实验验证阶段，研究团队使用电容式微机械超声波换能器作为声源，光学麦克风作为探测器，覆盖了1.8至2.2 MHz的频率范围。实验结果表明，单体设计的传输效率达到了0.76，而双体设计的传输效率为0.65。尽管双体设计在数值模拟中表现出更好的性能，但实验结果未能完全验证这一点，显示出在实际应用中可能存在的制造和组装公差问题。
在研究过程中，团队面临了多个挑战。首先，热粘性效应的复杂性使得在设计过程中需要进行大量的数值计算和优化。其次，微声学超光栅的制造过程也存在一定的难度，尤其是在微米级别的结构中，任何微小的变形都可能影响最终的声学性能。此外，实验过程中对材料参数的敏感性也可能导致结果的偏差。为了克服这些挑战，研究团队采用了Nanoscribe公司的e Photonic Professional GT2 双光子聚合技术进行样品制造。这种技术使得研究者能够精确地制造出微米级的声学超材料结构，满足在超高频声学应用中的需求。
尽管面临诸多挑战，这项研究为微声学超材料的应用开辟了新的方向。未来，研究团队计划进一步优化实验设置，以减少对制造和组装公差的敏感性，并探索在水中声波传播的应用潜力。通过对热粘性效应的深入研究，团队希望能够设计出更高效的声学超材料，推动其在超声成像、声学光学和声谱学等领域的应用。
总之，其团队的研究为微声学超材料的设计与应用提供了重要的理论基础和实验验证，展示了在超高频声学领域的广阔前景。通过结合先进的制造技术和优化设计方法，这项研究不仅推动了声学超材料的科学研究，也为实际应用提供了新的思路和可能性。随着技术的不断进步，微声学超材料在未来的声学成像、声波操控等领域将展现出更大的潜力和应用价值。
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https://doi.org/10.1038/s41598-024-76240-0