随着人类对海洋资源的充分利用，水下通讯变得越来越重要。由于电磁波在水中衰减的很快，而水中通讯只能依靠声波来进行，因此控制声音在水中的传播具有重要的意义。水中隔音对于抑制海洋噪音污染，保护海洋生物具有重要的意义。然而，由于空气和水的声学阻抗的差异，一些在空气中常用的隔音材料在水中的效果会大打折扣。而传统的质量作用理论要求物体的尺寸要与所阻挡声波的波长相当，这使低频区域声波的阻隔变得十分困难，因而水中低频声波的调控是一个长期的难题。

  水中的气泡作为一种最简单的声学超材料，具有独特的声学性质。1933年，荷兰科学家Marcel Minnaert 提出了气泡的Minneart共振现象，指出了气泡的共振频率对应的声波波长是其半径的近500倍，因此可实现低频声波的调控。更有理论指出，如果能把气泡在水中做成三维晶格排列，它将具有目前最宽的低频声波带隙，这在低频宽带的声波调控方面具有重要应用。然而，由于气泡浮力作用及流体不稳定性，水中气泡的可控性制备一直是一个难题。

  宋延林研究员课题组多年来专注于液滴、气泡等流体图案化的调控及应用。实现了气泡的反奥斯瓦尔德熟化控制和图案化制备（Nat. Commun. 2017, 8,14110）。并提出了水/气/油等任意不相容流体间的图案化控制理论（Adv. Mater. 2018, 30(31), 1802172）。最近，他们把气泡调控应用于声波调控中，第一次从实验上测出了三维气泡晶体的声子带隙（Adv. Funct. Mater. 2019, 1906984）。在这些研究基础上，他们受自然界生物捕获气泡的启发，提出了控制Cassie态（非浸润）和Wenzel态（浸润）交替出现的方法，更方便地制备从微米级到毫米级的图案化气泡，并用于声学反射超表面的制备，其在水下声学探测、水下隔音等方面具有重要的意义。

  如图1所示，他们提出了利用固体表面微米结构来控制Wenzel态和Cassie态交替出现的方法来制备图案化的气泡。通过理论分析，他们得出了水滴在固体表面从Cassie态转变为Wenzel态的临界压力和固体表面结构的关系。通过精细调控固体表面的结构，就可以精确地调控固体表面上每一处是否被液体浸润。液体浸润的地方为水，非浸润的区域为气泡。通过设计微结构的距离和排列，就可以精确地调控气泡的位置、大小和形貌。

图1. Wenzel态和Cassie态交替出现实现图案化气泡的调控

  根据气泡的Minneart共振方程，不同大小的气泡对应不同的共振频率。而气泡间距影响着气泡之间的共振耦合作用。因此，通过调控气泡的大小和间距，他们实现了声波从9 kHz到1.7 MHz范围的调控。而且，由于气泡受到微结构的约束，不必保持球形，通过扁平化气泡的制备，其作用声波波长能到其气泡高度的3333倍，这远远大于Minneart共振效应所对应的500倍，因此可以制备比传统更薄的反射超表面。

  图2 是声学反射超表面的全波模拟展示，在没有气泡的情形下，60%的声波能量可以透过样品。然而，一层高度为50 um、体积分数仅为3%的气泡，就可以使其透过率降低到小于0.2%。他们还证明了通过多层气泡的叠加，可以实现宽频声波的隔音。以透过率低于1%为界，他们指出，四层气泡的带隙宽度是单层气泡的30倍，因此可以用于宽频声波的隔音应用。

图2. 图案化的气泡用于声学反射超表面

  此研究在水中噪音控制，保护海洋环境方面具有重要意义。另外，其声波的全反射作用有利于提高水下声波探测灵敏度。比如，飞机失事后，其黑匣子在其电池耗尽后，只能靠声呐去寻找。而表面的这层气泡能够增强特定频率的反射，使黑匣子就像黑夜中的一面镜子一样，在遇到光照时，比较容易被探测到。

  此论文发表在ACS Applied Materials&Interface (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b15683)上。论文的第一作者为中科院化学所黄占东博士，目前为西安大略大学杨军教授课题组博士后，共同第一作者为青岛大学的赵胜东博士，通讯作者中科院化学研究所宋延林研究员。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.9b15683