微/纳颗粒超声捕捉和释放技术的基础研究

微/纳颗粒超声捕捉和释放技术利用声辐射力和声学流等物理声学效应捕捉和排斥超声场中的微/纳颗粒。该技术在微/纳物体和器件的移动、定位、组装、加工和物理化学特性的测量等方面有着广阔的应用前景。为了实现微/纳颗粒超声捕捉和释放技术在微/纳制造过程中的应用，尚需发展微/纳颗粒超声捕捉和释放技术的基本理论，并解决在颗粒捕捉能力、颗粒稳定性、结构紧凑性以及实现捕捉和排斥双功能等方面的关键技术问题。本项目将在研究超声颗粒捕捉器件的数理模型、工作机理和设计理论以及其新原理和新结构的基础上，发展微/纳颗粒超声捕捉和释放技术的基础理论，并提出解决上述关键技术问题的方法。本项目需要解决的关键科学问题包括：作用在被捕捉颗粒上的声学力的发生规律、其计算方法以及被捕捉颗粒的动力学；超声颗粒捕捉器件的新结构和新原理的提出。本项目将在申请人提出的非接触式驻波超声钳技术和接触式超声捕捉技术的基础上展开。

本项目研究的是如何利用超声非线性效应，实现纳/微物体的捕捉、释放以及与捕捉密切相关的操控功能如定位、定向、旋转和聚集等, 这一研究在微/纳结构与器件的装配、测量和加工等过程中具有很好的应用前景。研究内容可分为3部分：超声纳/微捕捉及相关操控的原理、相关器件的构成方法以及高性能化。在本基金的资助下，已取得如下主要成果：出版英文专著1部（Junhui Hu, “Ultrasonic Micro/Nano Manipulations”，World Scientific，Singapore，2014），SCI收录；发表与录用SCI期刊论文18篇，EI论文34篇，国际学术期刊的编辑综述1篇；授权相关中国发明专利11 项，申请相关中国发明专利15项；研究成果被国际科技新闻网站报道6次（Advances In Engineering；Renewable Energy Global Innovations；Phys.org Science News Wire；EurekAlert；Electronic Component News；Bio-Medicine）；国际会议邀请演讲2次 （2015 Conference on New Advances in Acoustics，2013 IEEE International Nanoelectronics Conference），国内会议邀请演讲2次。在本项目取得的主要创新性成果如下：（1）溶液中单根纳米线的接触式与非接触式超声捕捉、以及2D与3D移动；（2）基于水电解的多功能微操控；（3）单根纳米线的声学旋转驱动；（4）振动与静止基板上溶液中纳米物体的超声受控聚集；（5）超声纳米操控中声学流的控制原理。项目组首次利用超声非线性效应实现了上述纳／微操控方法，并提出了上述声学流的控制原理，论文发表在Applied Physics Letters （IF=3.79）, Sensors and Actuators B（IF=3.84），Energy（IF=3.65）, IEEE TNANO（IF=1.8）, Ultrasonics（IF=2.028），IEEE TUFFC（IF=1.8） 等本行业顶尖或主流刊物上。本工作首次证明了声学涡流可用于各种纳米操控，为纳米操控提供了一种新的物理方法，并把声学操控的对象发展到纳米物体。