超聲納米操控技術(shù)*

胡俊輝， 湯　強(qiáng)， 王　旭

（南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京，210016）

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?專家論壇?

超聲納米操控技術(shù)*

胡俊輝， 湯強(qiáng)， 王旭

（南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京，210016）

超聲納米操控是由超聲學(xué)、納米技術(shù)與驅(qū)動(dòng)技術(shù)的相互交叉而產(chǎn)生的一項(xiàng)新技術(shù)，在納米測(cè)量與組裝、納米加工、生物醫(yī)學(xué)樣品處理、微/光電子器件的制造以及新材料合成等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景?；谧髡叩难芯繄F(tuán)隊(duì)在近3年中所取得的成果，介紹已實(shí)現(xiàn)的超聲納米操控功能及其工作原理、器件結(jié)構(gòu)、特性與應(yīng)用前景。這些操控功能包括納米捕捉與移動(dòng)、納米旋轉(zhuǎn)以及納米聚集。論文將有效提升超聲納米操控技術(shù)的應(yīng)用水平。

操控；納米；超聲；壓電

引 言

納米測(cè)量與組裝、納米加工、生物醫(yī)學(xué)樣品處理、高性能傳感器制造、新能源材料加工、高性能電池制造以及環(huán)保等新興領(lǐng)域?qū)ψ鲃?dòng)功能提出了新的需求，要求對(duì)納米尺度物體進(jìn)行受控的捕捉、移動(dòng)、釋放、定位、定向、旋轉(zhuǎn)、聚集、分離、裝配、排列和拉伸等操作。對(duì)納米尺度物體實(shí)施上述受控操作被稱為納米操控［1-10］。納米操控一般不能或無(wú)法有效地由傳統(tǒng)的作動(dòng)系統(tǒng)（如直線與旋轉(zhuǎn)馬達(dá)等）來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而它是作動(dòng)技術(shù)所面臨的一個(gè)新挑戰(zhàn)。由于納米操控技術(shù)在新興產(chǎn)業(yè)中的巨大應(yīng)用前景，它已成為作動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)［11-16］。

迄今已實(shí)現(xiàn)的納米操控的工作原理主要有3大類，即物理、生物與化學(xué)納米操控。已有的物理納米操控的主要手段包括激光、介電泳、磁、微流體、機(jī)械和超聲等［1］；生物納米操控的手段包括基于DNA分子鏈的組裝和分子馬達(dá)等；利用化學(xué)原理也可實(shí)現(xiàn)不少的納米操控功能，例如利用水電解產(chǎn)生的微小氫氣泡，可實(shí)現(xiàn)捕捉、移動(dòng)、釋放和姿態(tài)調(diào)整等操控功能?；谏鲜鲈淼募{米操控方法各有特點(diǎn)。

超聲納米操控利用聲學(xué)渦流對(duì)納米物體進(jìn)行捕捉、移動(dòng)、釋放、定位、定向、旋轉(zhuǎn)及聚集等受控操作。2012年以來(lái)，筆者的研究團(tuán)隊(duì)利用超聲微探針、超聲臺(tái)與超聲針等低頻超聲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一系列受控的納米操控功能［2，4-7］。2014年，美國(guó)國(guó)立標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所提出了利用高頻超聲（3 MHz）對(duì)納米線進(jìn)行受控旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的方法［3］。在這些工作之前，超聲的物理效應(yīng)（如聲空化與聲表面波產(chǎn)生的聲學(xué)流）已被用于納米物體的分散與排列［1］，但在這些應(yīng)用中，被操作納米物體的位置無(wú)法被控制，因而還不能算是嚴(yán)格意義上的操控。超聲納米操控功能的主要特點(diǎn)包括：a.操控部位溫升低；b.操控范圍大；c.可在用戶給定的器件或基板上進(jìn)行操控；d.具有對(duì)單個(gè)和多個(gè)物體進(jìn)行操控的能力；e.操控功能多樣；f.器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便。這些特點(diǎn)使得超聲納米操控在納米測(cè)量與組裝、納米加工、生物醫(yī)學(xué)樣品處理、微電子與光電子器件的制造以及新材料合成等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景與商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

已實(shí)現(xiàn)的超聲納米操控功能包括納米線的捕捉、定位、定向、旋轉(zhuǎn)以及納米物體的聚集［2-8］。現(xiàn)介紹這些操控功能的器件結(jié)構(gòu)、效果、原理和特性。

1 納米線的超聲捕捉、定位、定向與移動(dòng)

納米線的超聲捕捉、定位、定向與移動(dòng)在光學(xué)顯微鏡（VHX-1000，Keyence）下進(jìn)行，如圖1（a）所示。實(shí)驗(yàn)中，微操控探針（玻璃纖維）由與之垂直的鋼針激勵(lì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，微操控探針端部浸入硅基板上的納米線溶液中。微操控探針直徑10μm，全長(zhǎng)2.5 mm。溶液由去離子水和分散在其中的銀納米線組成。其中，銀納米線直徑100 nm，長(zhǎng)度從幾微米到幾十微米不等。玻璃纖維端部和硅基板距離約為10μm。圖1（b）為試驗(yàn)中用到的超聲換能器的結(jié)構(gòu)。微操控探針粘接在鋼針端部，振動(dòng)由夾心式換能器經(jīng)鋼針端部傳遞到玻璃纖維上。鋼針長(zhǎng)25 mm，直徑1 mm。換能器中每片壓電圓環(huán)的外直徑，內(nèi)直徑和厚度分別為12，6和1.2 mm。壓電常數(shù)d33為250×10-12C/N，機(jī)電耦合系數(shù)k33為0.63，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm為500，介電損耗因子tanδ為0.6％，密度為7 450 kg/m3。換能器兩端的不銹鋼板為方形，換能器的預(yù)緊力矩為6 N·m。換能器工作在135 k Hz附近，此時(shí)鋼針作彎曲振動(dòng)。而夾心式換能器的共振頻率為93 k Hz，因此操控系統(tǒng)工作在非共振狀態(tài)。

圖1　單根納米線操控的試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup for the mobile acoustic streaming based manipulations of a single silver nanowire

圖2表示在硅基板表面銀納米線水溶液中驅(qū)動(dòng)和抓取單根銀納米線的過(guò)程。圖2（a）為驅(qū)動(dòng)和抓取過(guò)程的示意圖，xyz坐標(biāo)系的原點(diǎn)o位于微操控探針端部的中心。圖2（b）演示了驅(qū)動(dòng)和抓取一根長(zhǎng)32μm，直徑100 nm銀納米線的系列照片。微操控探針沿著y方向進(jìn)行往復(fù)振動(dòng)。在該振動(dòng)的作用范圍內(nèi)，位于基板表面的銀納米線可以被驅(qū)動(dòng)向微操控探針端部下方的點(diǎn)移動(dòng)（微操控探針端部在基板上的投影點(diǎn)），并同時(shí)轉(zhuǎn)向微操控探針振動(dòng)的方向（即y方向），如圖2（a）中運(yùn)動(dòng)軌跡m1和圖2（b）中b1～b4所示。在轉(zhuǎn)向微操控探針振動(dòng)方向后，銀納米線繼續(xù)移動(dòng)到微操控探針下方的投影點(diǎn)，如運(yùn)動(dòng)軌跡m2和圖b4，b5所示。在微操控探針下方，銀納米線開始轉(zhuǎn)到與微操控探針振動(dòng)方向垂直（x方向），同時(shí)被提升至玻璃纖維端部的一側(cè)，并且最終被推壓在微操控探針端部的側(cè)面，如運(yùn)動(dòng)軌跡m3，m4，和圖b6～b8所示。在圖2（b）的b8中，被抓取的銀納米線垂直于微操控探針振動(dòng)方向并且于玻璃纖維基本對(duì)稱。通過(guò)比較銀納米線全長(zhǎng)與圖b8中未被遮擋的銀納米線長(zhǎng)度和直徑可以得到該對(duì)稱性。

圖2　硅基板上銀納米線水溶液中單根銀納米線的抓取Fig.2 Driving and trapping of an Ag NW under the fiberglass tip in water by acoustic streaming

圖3（a）為在銀納米線溶液中移動(dòng)單根長(zhǎng)20 μm，直徑100 nm銀納米線的示意圖，圖3（b）給出了在移動(dòng)過(guò)程中銀納米線在A，B，C，D和E位置時(shí)的照片。銀納米線初始位置位于微操控探針端部下方的位置A。然后在位置B銀納米線被提升并被抓取到振動(dòng)的微操控探針的一側(cè)。此后，通過(guò)移動(dòng)整個(gè)操控系統(tǒng)提起銀納米線并通過(guò)位置C移動(dòng)到位置D。在位置D，停止微操控探針振動(dòng)，在玻璃基板表面釋放銀納米線。整個(gè)操控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)一個(gè)X-Y-Z三維平臺(tái)手動(dòng)控制，移動(dòng)速度在每秒幾微米到每秒幾十微米。在移動(dòng)過(guò)程中，換能器的操控頻率和峰峰電壓分別為135 k Hz和15 V。試驗(yàn)表明在銀納米線水溶液中，可以實(shí)現(xiàn)被抓取銀納米線的任意路徑移動(dòng)，在此過(guò)程中銀納米線不會(huì)掉落。銀納米線也不會(huì)粘在微操控探針上，因此本工作中釋放銀納米線不成問(wèn)題。另外，該操控系統(tǒng)還可由計(jì)算機(jī)控制（使用直流步進(jìn)馬達(dá)系統(tǒng)），以提高操控的效率并消除因手工操作引起的微操控探針的跳動(dòng)問(wèn)題［9］。

圖3　3D移動(dòng)并釋放單根銀納米線Fig.3 3D transfer and release of a single Ag NW

通過(guò)觀察微顆粒在微操控探針周圍的運(yùn)動(dòng)軌跡，可獲得微操控探針端部周圍的三維聲學(xué)流場(chǎng)的大致情況，如圖4所示。該結(jié)果可很好地說(shuō)明上述納米線的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象與捕捉效果。y方向的聲學(xué)流驅(qū)動(dòng)基板表面的銀納米線至玻璃纖維端部下方的位置，同時(shí)驅(qū)動(dòng)銀納米線至y方向。然后，在玻璃纖維端部的下方，聲學(xué)流渦流驅(qū)動(dòng)銀納米線至x方向，同時(shí)z方向聲學(xué)流提起銀納米線至微操控探針端部的一側(cè)。此后，y方向（或-y方向）聲學(xué)流推壓提起的銀納米線至微操控探針端部的側(cè)面。玻璃纖維端部的超聲場(chǎng)隨著微操控探針移動(dòng)而移動(dòng)，所以在微操控探針端部的聲學(xué)流場(chǎng)是可移動(dòng)的，并且可以在移動(dòng)中抓取納米線。

圖4　在超聲振動(dòng)下玻璃纖維端部周圍的聲學(xué)流場(chǎng)Fig.4 The acoustic streaming field around the tip of the fiberglass in ultrasonic vibration

圖5　銀納米線抓取特性圖Fig.5 The trapping capability characteristics

試驗(yàn)中定義兩個(gè)參數(shù)，用于定量表示抓取性能。當(dāng)在x=0處、沿y方向的納米線與微操控探針的距離太大時(shí)，納米線不能被微操控探針端部所吸取。表示抓取能力的第一個(gè)參數(shù)是：可用于捕捉的納米線與微操控探針之間的最大水平距離dm；另一個(gè)參數(shù)是：可以吸附到微操控探針端部的納米線的最大長(zhǎng)度Lm。實(shí)驗(yàn)中采用位于x=0處并沿著y方向的一根長(zhǎng)32μm、直徑100 nm的銀納米線。峰峰電壓為5，10，15，20，25和30 V時(shí)，測(cè)量最大捕捉距離dm隨驅(qū)動(dòng)頻率變化的特性曲線，結(jié)果如圖5（a）所示。從該圖可知，最大距離dm在共振點(diǎn)處（約135 k Hz）達(dá)到最大值；最大距離隨著驅(qū)動(dòng)電壓增大而增大。這些現(xiàn)象應(yīng)該是由于微操控探針振動(dòng)增強(qiáng)而導(dǎo)致聲學(xué)流的增強(qiáng)引起的。圖5（b）為測(cè)得的最大納米線長(zhǎng)度Lm隨參考點(diǎn)p［見(jiàn)圖1（b）］的振動(dòng)位移幅值的變化曲線。它表明最大納米線長(zhǎng)度并不單一地隨著振動(dòng)位移的增加而增加，當(dāng)振動(dòng)位移過(guò)大時(shí)，Lm會(huì)隨著振動(dòng)的增加而減少。這是由于當(dāng)振動(dòng)過(guò)大時(shí)，長(zhǎng)的納米線更容易被沖走。試驗(yàn)中還使用紅外線測(cè)溫儀（Hioki 3419-20）測(cè)量了振動(dòng)微操控探針周圍的溫升，測(cè)得驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下溫升小于0.1℃。這主要和下列兩個(gè)因素有關(guān)：納米操控只需用到數(shù)十納米幅值的振動(dòng)；聲學(xué)流渦流會(huì)帶走微操控探針周圍的熱量。

上述的納米捕捉方法的優(yōu)點(diǎn)有：具有同時(shí)定向的功能；溫升低；可在任意尺寸與材料的基板上進(jìn)行；可以自由地移動(dòng)被捕捉的納米物體等。上述方法中，被捕捉到的納米線與微操控探針相接觸，對(duì)微操控探針進(jìn)行改造，還可以實(shí)現(xiàn)納米線的非接觸式捕捉［4］。關(guān)于這部分工作的更多內(nèi)容，請(qǐng)參閱文獻(xiàn)［1-3，4］。這一技術(shù)的潛在應(yīng)用包括微納生物樣品的操作、微納結(jié)構(gòu)的裝配以及納米材料性能的測(cè)試等。

2 納米線的超聲旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)

納米線超聲旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的試驗(yàn)裝置如圖6（a）所示，試驗(yàn)借助于光學(xué)顯微鏡（VHX-1000，Keyence）進(jìn)行。在試驗(yàn)中，由銅板機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微玻璃纖維探針垂直浸沒(méi)到具有納米線的水膜硅基板上。玻璃纖維粗細(xì)均勻，直徑為10μm，總長(zhǎng)度為3.2 mm。基板上的水滴由去離子水和散布其中的銀納米線組成，其中銀納米線的直徑約為100 nm，長(zhǎng)度從幾微米到幾十微米不等。微探針尖端距硅基板的距離大約為10μm。圖6（b）示出了振動(dòng)激勵(lì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和尺寸。微探針由三明治式壓電換能器驅(qū)動(dòng)。換能器中的每個(gè)壓電圓環(huán)的外徑為12 mm，內(nèi)徑為6 mm，厚度為1.2 mm，壓電常數(shù)d33為250× 10-12C/N，機(jī)電耦合系數(shù)k33為0.63，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm為500，介電損耗系數(shù)tanδ為0.6％，密度為7 450 kg/m3。

換能器兩端的不銹鋼板為正方形，銅板通過(guò)粘合劑固定在其中一個(gè)正方形鋼板的斜對(duì)角線方向上。施加在換能器上的擰緊力矩為6 N·m，換能器的工作頻率在137 k Hz附近，而換能器的共振頻率在93 k Hz左右，所以換能器不是工作在共振點(diǎn)，這樣的好處可以保證旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性。試驗(yàn)中所用的超聲裝置如圖6（c）所示。

圖6　旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)位于硅基板上液膜中的銀納米線的試驗(yàn)裝置Fig.6 Experimental setup and the ultrasonic device for rotary driving of a single Ag NW in water film on a silicon substrate

圖7展示了試驗(yàn)中獲得的硅基板上懸浮液中單根銀納米線的兩種類型的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)模式。在實(shí)驗(yàn)中，換能器工作頻率和工作電壓（峰峰值）分別是137 k Hz和6 V。在圖7（a）中，從圖片a1～a8可以看出，一根80μm長(zhǎng)，100 nm粗的銀納米線順時(shí)針?lè)较颍◤纳贤驴矗┬D(zhuǎn)了一周，用時(shí)14 s。在圖7（a）中，銀納米線的中點(diǎn)位于玻璃纖維的尖端O′點(diǎn)（見(jiàn)圖1（a）），并繞著其中心旋轉(zhuǎn)。圖7（b）示出了另一種旋轉(zhuǎn)模式，硅基板上30μm長(zhǎng)，100 nm粗的銀納米線繞著自身的一個(gè)端點(diǎn)做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。銀納米線兩種模式的下的旋轉(zhuǎn)中心均位于玻璃纖維的尖端下方（見(jiàn)圖6（a）中的點(diǎn)O′）。圖片b1～b8顯示的旋轉(zhuǎn)周期為8.3 s。當(dāng)銀納米線在旋轉(zhuǎn)時(shí)，微探針端部附近銀納米線的旋轉(zhuǎn)中心可以在其中點(diǎn)或端點(diǎn)，因此納米線可能的旋裝中心有兩個(gè)：中點(diǎn)和端點(diǎn)，并且這兩個(gè)點(diǎn)都位于微探針的下部。依據(jù)多次觀測(cè)可以得出結(jié)論，納米線的旋轉(zhuǎn)中心是在其中點(diǎn)還是端點(diǎn)依賴于微探針的端部與納米線最初的相對(duì)位置，如果納米線的中點(diǎn)一開始靠近微探針的端部，則納米線的中點(diǎn)會(huì)隨著納米線移動(dòng)到微探針端部下方O′，并作為旋轉(zhuǎn)中心。否則，納米線的端點(diǎn)將移動(dòng)到點(diǎn)O′，并成為旋轉(zhuǎn)中心。

圖7　連續(xù)顯示振動(dòng)玻璃纖維尖端驅(qū)動(dòng)單根銀納米線旋轉(zhuǎn)的圖片F(xiàn)ig.7 Two Image sequences to show the rotation of an Ag NW under the vibrating fiberglass tip

為了解釋上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和操控效果，筆者觀察了微操控探針端部附近的聲學(xué)流分布。試驗(yàn)時(shí)在振動(dòng)的水膜中加入了碳化硅微團(tuán)簇，可以觀察到碳化硅微團(tuán)簇在玻璃纖維尖端附近旋轉(zhuǎn)的同時(shí)往玻璃纖維的尖端移動(dòng)，如圖8（a）所示，這表明微操控探針端部附近存在兩種類型的聲學(xué)流，一種繞著點(diǎn)O′做圓周流動(dòng)，另一種指向點(diǎn)O′做徑向流動(dòng)，進(jìn)一步通過(guò)高濃度的銀納米線懸浮液可以觀察到沿著玻璃纖維的Z方向也有聲學(xué)流。利用激光多普勒測(cè)振儀（POLYTEC PSV-300F），測(cè)量了微操控探針根部點(diǎn)P的X，Y方向的振幅和相位，在工作頻率和峰峰電壓為137 k Hz和10 V的情況下，X方向的位移為UX=0.042sin（2πft+2.25）μm，Y方向的位移為UY=0.097sin（2πft+0.69）μm。由于兩者的相位差接近90°，點(diǎn)P在做橢圓軌跡的運(yùn)動(dòng)，如圖8（b）所示。這種運(yùn)動(dòng)會(huì)攪動(dòng)微操控探針附近的水并產(chǎn)生周向聲學(xué)流，而徑向聲學(xué)流也可能由于微操控探針端部振動(dòng)導(dǎo)致的低壓而產(chǎn)生，Z方向的聲學(xué)流可能是由于需要滿足流動(dòng)的連續(xù)性而產(chǎn)生。上述原理可以較好地解釋為什么被驅(qū)動(dòng)的納米線旋轉(zhuǎn)中心是在其中點(diǎn)還是端點(diǎn)，徑向的聲學(xué)流可以推動(dòng)納米線到微操控探針的端部，周向聲學(xué)流使納米線做圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)納米線的中點(diǎn)距玻璃纖維尖端較近時(shí)，對(duì)稱的徑向聲學(xué)流會(huì)推動(dòng)納米線的中點(diǎn)移動(dòng)到微操控探針端部下方，以保證納米線所受到的離心力和沿-r方向的徑向推動(dòng)力之間平衡。當(dāng)納米線的端點(diǎn)距離微操控探針端部較近時(shí)，同樣為了保證上述兩種力的平衡，納米線會(huì)在徑向力的作用下發(fā)生移動(dòng)，并以端點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心。依據(jù)原理分析可知，媒介的粘性也會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生影響，因?yàn)檎承詴?huì)影響到微探針攪拌速度和其附近的流動(dòng)角速度的徑向梯度，同時(shí)超聲場(chǎng)的振動(dòng)速度也會(huì)隨著黏性的增加而減小。

圖8　原理探究Fig.8 Principle investigation

圖9（a）示出的是單根銀納米線繞其中點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)角位移量隨時(shí)間幾乎呈線性的關(guān)系（實(shí)驗(yàn)值），而圖9（b）是由圖9（a）推算的角速度與時(shí)間的關(guān)系。圖9（b）表明：納米線的角速度在開始旋轉(zhuǎn)后的很短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。測(cè)得的圖10（a）表明：?jiǎn)胃y納米線繞其中點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)其角速度隨電壓的增加而增加；在同一電壓下改變操控的頻率，旋轉(zhuǎn)的速度也會(huì)發(fā)生較大的變化。在試驗(yàn)中，137 k Hz時(shí)的角速度要比其他頻率時(shí)的角速度大很多。因此可以通過(guò)改變操控電壓和頻率來(lái)改變銀納米線的角速度。試驗(yàn)中，銀納米線可以達(dá)到的最小角速度為0.001 r/s，這為高精度的定向操控提供了一種驅(qū)動(dòng)方法。圖10（b）示出的是銀納米線的旋轉(zhuǎn)角速度與點(diǎn)P振動(dòng)位移的關(guān)系，在驅(qū)動(dòng)中，振幅只需數(shù)十納米。

關(guān)于這部分工作的更多內(nèi)容，可參閱文獻(xiàn)［1，5］。這一技術(shù)的潛在應(yīng)用包括微納米生物樣品的穿刺、微納機(jī)械裝配、納米材料的性能測(cè)試等領(lǐng)域。

圖9　銀納米線繞其中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角位移和角速度與驅(qū)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系Fig.9 Angular displacement and speed of an Ag NW rotating around the center of itself versus driving time

圖10　銀納米線繞其中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角速度與工作頻率和電壓以及振動(dòng)位移的關(guān)系Fig.10 Dependence of angular speed of a nanowire rotating around the center of itself on the operating frequency and voltage

3 納米物質(zhì)的超聲聚集

圖11（a）所示的是用于聚集納米線和納米顆粒的超聲臺(tái)的結(jié)構(gòu)和尺寸，該臺(tái)包含一片硅基板和通過(guò)導(dǎo)電粘合劑粘貼在硅基板上的壓電圓環(huán)。圓形硅基板的直徑為50.8 mm，厚度為0.5 mm。同軸粘貼的壓電圓環(huán)內(nèi)徑為16 mm，外徑為38 mm，厚度為3 mm，其極化方向?yàn)楹穸确较颍瑝弘姵?shù)d31為-145×10-12C/N，d33為325×10-12C/N，機(jī)電耦合系數(shù)kp為0.59，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm為2 000，介電損耗系數(shù)tanδ為0.3％，密度為7 700 kg/m3。在其中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，銀納米線懸浮液的濃度為0.01 mg/ml，滴在超聲臺(tái)的中央。超聲臺(tái)的夾持方式如圖11（b）所示，在壓電圓環(huán)上施加交流電壓以產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。利用激光多普勒測(cè)振儀POLYTEC PSV-300F測(cè)量了超聲臺(tái)的面外振動(dòng)，其在60 V的工作電壓（峰峰值）下的共振頻率為21.3 k Hz，所得到的振動(dòng)模態(tài)見(jiàn)圖12，可以看到在臺(tái)中心的位置O（x=0，y=0）有一個(gè)振動(dòng)峰，另外，超聲臺(tái)的振動(dòng)模態(tài)基本上中心對(duì)稱。通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察到的銀納米線如圖13所示，其直徑約100 nm，長(zhǎng)度約30μm，在試驗(yàn)中，銀納米線是分散在去離子水中。

圖11　實(shí)驗(yàn)裝置Fig.11 Experimental setup

當(dāng)超聲臺(tái)的工作頻率約為21.3 k Hz、中心點(diǎn)o（x=0，y=0）的振動(dòng)速度幅值大于112 mm/s（0-p）時(shí)，液滴中的銀納米線向硅基板的中央移動(dòng)并形成點(diǎn)狀聚集。圖14表示當(dāng)工作頻率為21.3 k Hz、中心點(diǎn)o的振動(dòng)速度為144 mm/s（0-p）時(shí)，40μL的液滴中的銀納米線的點(diǎn)狀聚集。圖14（a）表示在聲處理前不存在銀納米線的斑點(diǎn)；圖14（b）示出的是15 min聲處理后點(diǎn)O處存在銀納米線斑點(diǎn)；圖14（d）表示液滴自然蒸發(fā)（不使用超聲）后，銀納米線斑點(diǎn)依然存在。圖14（a），（b）和（d）通過(guò)相機(jī)Canon EOS 550D拍攝得到，圖14（c）和（e）通過(guò)顯微鏡（VHX-1000，Keyence）拍攝得到，分別是圖14（b）和（d）中斑點(diǎn)的放大圖像。在液滴自然蒸發(fā)前后斑點(diǎn)的直徑幾乎沒(méi)有改變。斑點(diǎn)的直徑和厚度分別為204和40μm，斑點(diǎn)并不是完整的圓形，最長(zhǎng)比最短軸有5％的長(zhǎng)度差。文中使用最短軸長(zhǎng)作為斑點(diǎn)的直徑。斑點(diǎn)的厚度可以通過(guò)聚焦距離的改變而測(cè)得。同樣可以觀察到：當(dāng)超聲臺(tái)的工作頻率為21.3 k Hz，中心點(diǎn)o的速度幅值大于19.6 mm/s（0-p）并小于70 mm/s（0-p），銀納米線移動(dòng)到中點(diǎn)非常緩慢，耗時(shí)超過(guò)1 h才能形成斑點(diǎn)。然而在這種情況下，銀納米線可以旋轉(zhuǎn)到徑向（指向臺(tái)中央的方向），并最終在少于15 min內(nèi)沿徑向排列好。

圖12　在21.3 k Hz下測(cè)得的超聲臺(tái)的振動(dòng)分布圖Fig.12 Measured vibration displacement distribution of the ultrasonic stage at 21.3 k Hz

圖13　掃描電子顯微鏡下的銀納米線Fig.13 Ag NWs under a SEM（scanning electron microscope）

圖14　銀納米線斑點(diǎn)的形成Fig.14 Formation of the spot of Ag NWs

圖15表示40μL液滴中的銀納米線的取向排列，此時(shí)的工作頻率為21.3 k Hz，中點(diǎn)o振動(dòng)速度為42 mm/s（0-p）。圖15（a）表示15 min聲處理后，液滴中點(diǎn)O附近的銀納米線；圖15（b）表示圖5（a）的液滴自然蒸發(fā)后點(diǎn)o附近的銀納米線；圖15（c）表示15 min聲處理后，液滴中的點(diǎn)（r=1 mm，θ =210°）處的銀納米線；圖15（d）表示圖15（c）液滴自然蒸發(fā)后，點(diǎn)（r=1 mm，θ=210°）附近的銀納米線。

圖15　銀納米線的徑向排列Fig.15 The radial alignment of Ag NWs

基于觀察和有限元法計(jì)算［6，10］得知：由于如圖12所示的超聲臺(tái)的振型，液滴中會(huì)產(chǎn)生如圖16所示的聲學(xué)流場(chǎng)。這一流動(dòng)模式可以很好解釋納米物質(zhì)斑點(diǎn)的形成。納米物質(zhì)會(huì)被徑向聲學(xué)流帶到臺(tái)中央。當(dāng)軸向的聲學(xué)流不是太強(qiáng)時(shí)，由于重力的作用，納米物質(zhì)不能隨著聲學(xué)流繼續(xù)往上升，進(jìn)而在臺(tái)中央形成斑點(diǎn)狀的聚集。

圖16　液滴中的聲學(xué)流圖案Fig.16 Acoustic streaming pattern in the droplet

圖17（a）表示銀納米線斑點(diǎn)的半徑和厚度隨著聲處理的時(shí)間增加而增加的實(shí)測(cè)關(guān)系。試驗(yàn)中，聲處理時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，斑點(diǎn)的尺寸不再發(fā)生明顯的變化。說(shuō)明徑向聲學(xué)流能影響到的銀納米線都已經(jīng)聚集到超聲臺(tái)的中央位置。圖17（b）為銀納米線的聚集過(guò)程，每張相鄰圖片之間的時(shí)間間隔為1 min。

圖17　斑點(diǎn)的形成Fig.17 Formation of the spot

在上述方法中，超聲臺(tái)作為基板，工作時(shí)處于振動(dòng)狀態(tài)。為了擴(kuò)大這一技術(shù)的應(yīng)用范圍，筆者的團(tuán)隊(duì)還成功研制了基于超聲針的納米物質(zhì)聚集方法［6］，該方法無(wú)需對(duì)基板進(jìn)行勵(lì)振。利用該方法，已成功獲得納米物質(zhì)的葉片狀和直線狀聚集物。關(guān)于上述研究工作的更多內(nèi)容，可參閱參考文獻(xiàn)［1，6-7］。

4 結(jié)束語(yǔ)

超聲納米操控是由超聲學(xué)、納米工程與驅(qū)動(dòng)技術(shù)相互交叉而產(chǎn)生的一項(xiàng)新技術(shù)，是對(duì)納米尺度物體進(jìn)行受控作動(dòng)的一種新手段。它利用的是超聲非線性效應(yīng)如聲學(xué)流所產(chǎn)生的力。

雖然超聲波已初步展示了其在納米操控方面的能力，國(guó)內(nèi)外對(duì)超聲納米操控的新原理、新功能、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件與聲學(xué)流場(chǎng)的建模分析、性能優(yōu)化以及系統(tǒng)集成等的研究還比較少。對(duì)這些內(nèi)容開展深入廣泛的研究，將有效提升超聲納米操控技術(shù)的水平，并助推其在相關(guān)新興產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。

在宏觀物體的作動(dòng)（如電機(jī)驅(qū)動(dòng)）方面，已有100多年的研發(fā)歷史與技術(shù)積累，技術(shù)相對(duì)成熟。但在微觀物體的作動(dòng)（如微/納物體的操控）方面，只有十幾年的研發(fā)歷史，還有大量的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題需要探索和解決。最近出現(xiàn)的超聲納米操控技術(shù)提供了一種對(duì)納米物體進(jìn)行受控操作的新方法，它的發(fā)展必將強(qiáng)化人類對(duì)微觀世界的研究能力并為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

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TH73

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.02.023

胡俊輝，男，1965年8月生，博士、長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)槌晧弘娮鲃?dòng)技術(shù)。曾發(fā)表《Ultrasonic micro/nano manipulations》（Singapore：World Scientific Press，2014）等論著。

E-mail：ejhhu@nuaa.edu.cn

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（91123020）；機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（0310G01，0314G01）；南京航空航天大學(xué)引智基地資助項(xiàng)目（S0896-013）；江蘇優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（B12021，PAPD）

2015-01-28；

2015-02-20