无形操控微纳颗粒的“声镊”技术

首先声波的产生是通过在压电陶瓷上施加交变的电压实现的。如下图A所示，在压电片上蒸镀指状电极整列。电极在通交流电时能在中间区域形成声表面波，固体表面会上下起伏振动。在左右各蒸镀一组电极形成一对，这一对电极在的两个相对方向的波叠加能形成驻波。这样在中间的区域就存在驻波的波峰和波节。在另一垂直方向再增加一对电极，能让中间的驻波存在两个方向的二维分布。由于声泳力的作用颗粒往往会停在波节处。另外通过对声流（声波造成的流体流动）的调控，可以实现垂直方向上高度的控制。

下图展示了声泳力对颗粒的操控。固体表面会起伏振动，在流体中形成相应的声音分布。声泳力主要由于颗粒与介质之间的密度和体积模量差异引起。颗粒受力平衡的位置由Gorkov 势能决定。颗粒会倾向运动到Gorkov 势能最小的地方，下图B是Gorkov 势能的分布。图C是颗粒在声场作用下排列成线的实验结果。这样就能实现颗粒水平方向上位置的操控。

另外固体表面的振动也会在流体内激励产生声流。下图A是通过COMSOL模拟得到的声流的流线和大小。另外声流的对称点也和Gorkov 势能的的最小值节点重合。所以声流不会影响颗粒在水平方向上的位置。

在Gorkov 势能的的最小值节点上，声流的方向是从下往上。这样的流动可以将颗粒举起，通过控制声流的强度就能控制颗粒在垂直方向上的位置。

结合水平方向上两队电极 的表面驻波和垂直方向上的声流控制，就能实现三维空间中三个方向上的颗粒操控。通过实时调节电极交流电压之间的相对相位差，就能改变平衡点的位置，这样就能实验颗粒的实时移动。下图C就是通过调控相位差，移动了颗粒的位置。

从声镊技术的原理，我们看到这里面涉及到了声学，流体，压电现象等多个物理过程。为了理解各个因素对系统的影响，实现最优的实验效果，我们必须结合数值仿真来研究整个过程。另外模拟的结果在论文中也能非常直观的展示其中的科学原理。

这篇文章中的一般以上的插图都是 仿真模拟的计算结果 。本文的作者在数值仿真中使用了 COMSOL软件 ， 这也是目前 科研学术领域广泛使用的一种 通用型仿真模拟软件 ，其功能覆盖了力学，光学，电磁，流体，化学化工，半导体，声学等等领域，并能任意的耦合多个物理现象。