声流体学是指在微纳米尺度上对流体以及浸没其中的颗粒或细胞进行主动操控，是生命科学领域的一项关键技术。声波——更准确地说，是频率远超人耳可听范围的超声波——非常适合用于此目的，因为它能够对极微小的物体进行精确可控且非接触式的操控。 IFW下属的萨克森州表面声波实验室（SAWLab Saxony）开发了一种由高频声波驱动的微流体新型机制。该方法基于对表面声波机械振动平面的主动操控，并已成功验证可显著提升芯片实验室应用中的微流体驱动性能。
表面声波（SAW）器件，如高频模拟带通滤波器和谐振器，已成为所有移动通信设备（包括无线网络、手机、蓝牙和红外信号传输）的关键组件。 萨克森州SAW实验室当前的研究工作侧重于第二代和第三代表面声波应用，即：I）在高温（>600°C）和恶劣环境下的无线、自给式传感；以及II）表面声波驱动的声流体学。
本文介绍的课题属于后者，其研究成果源于一种综合方法，该方法综合考虑了电声学基础理论、功能性薄膜以及具体的微流体应用。
表面声波的偏振转换
利用超声波在微观尺度上对流体以及浸没其中的颗粒和细胞进行选择性、无创驱动，是当前最先进的技术。一般而言，高频机械波与流体的相互作用会产生声诱导力，可用于快速流体混合、颗粒/细胞的分选与捕获，以及气溶胶的生成。
激发超声波最常见的方法依赖于逆压电效应，即在特定固体材料中施加电场以产生机械应变。对于表面声波（SAW），电压施加在一对梳状平面电极（指状换能器，IDT）上，这些电极布置在压电基板材料（例如铌酸锂）上。 因此，声波沿基板表面传播，其穿透深度与波长量级相当。机械应变（位移振幅）由三个空间分量组成：两个平面内分量分别与传播方向平行和垂直，以及一个垂直于表面的平面外分量。此外，由于机械应变会因压电效应产生电势，因此表面声波（SAW）会伴随一个电场。 机械位移振幅分量与电势的分布共同构成了表面声波的极化。
基于表面声波的微流体器件通常由至少一个位于压电基板上的IDT组成，用于激发高频机械波。 流体及浸没其中的颗粒/细胞与基板表面直接接触，并被通常由聚合物制成的容器所包围。出于驱动目的，通常采用垂直极化的表面声波，因为其较大的离平面（垂直）位移振幅主要引发向流体的动量传递，从而产生声辐射力和声流。使用垂直极化表面声波存在两个主要缺点：
I) 声表面波在穿过容器壁时会受到严重衰减；II) 声表面波一接触容器内的流体，便立即与流体发生相互作用。
为克服这些缺点，IFW下属的萨克森州SAWLab基于声表面波偏振的选择性转换，发明并研究了一种替代方案。 其基本思路是激发一种剪切-水平表面声波（SAW），该声波的机械位移以垂直于SAW传播方向的平面分量为主，并在微流体通道内改变SAW的极化状态，从而启动流体驱动（图2）。
使用剪切-水平极化的声表面波（SAW）可显著降低声波在血管壁中传播时的衰减。此外，与垂直极化的SAW相比，其与流体之间的相互作用微乎其微，几乎不会产生动量传递。因此，一旦SAW在血管内传播，就必须增加其离平面位移，即必须改变其极化方向。
IFF“表面动力学”研究团队已针对声表面波偏振的选择性转换研究了一种简便的方法。 为此，在压电基板表面沉积了一层金属薄膜，该薄膜可局部改变声表面波传播的电边界条件，即缩短基板表面的电场。在特定条件下（即针对特定基板材料），当声表面波从自由表面过渡到金属化表面时，其面外位移振幅会显著增大。通过实验和模拟，对这一效应进行了全面研究。
利用高频激光多普勒振动计对机械位移的离平面（垂直）分量进行了高分辨率测量。相应的结果也有助于验证数值模拟及其基础物理模型。 进行数值模拟具有特别重要的意义，因为它有助于深入理解通过实验无法获取的微声学基本原理，例如确定完整的声表面波（SAW）极化矢量，以及检测基板材料内部的其他声波模态。
声子波驱动微流体技术的新机遇
声表面波（SAW）极化转换这一新概念为微流体驱动应用提供了两大主要优势。除了在穿过容器壁时可降低SAW的衰减外，还可以通过金属化基板区域的横向布局，精确选择流体驱动区域（有效区）。该效应已在对浸没在水中的颗粒（直径10 µm）进行捕获的实验中成功验证（图3）。 颗粒聚集在由SAW极化预定变化所导致的较大离平面位移振幅所界定的有效区域内。因此，该区域内由垂直位移诱导的声辐射力显著更高，从而实现了对颗粒的捕获。未发生这种极化转换的区域振幅明显较低，在流体中产生的力微弱，无法捕获颗粒。
通过调整金属薄膜的横向布局，可以轻松调整活性区域的横向位置、尺寸以及形状。因此，这为设计用于可控操作（例如细胞分离或捕获）的声表面波驱动微流体装置提供了新的设计自由度。
声表面波（SAW）极化转换的基本概念已获得专利授权（DE 10 2017 118 878）。
参考文献
[1] A.N. Darinskii 等，《超声学》78 (2017) 10
[2] A.N. Darinskii 等，《应用物理学杂志》123 (2018) 014902
[3] R. Weser 等，《应用物理快报》 117 (2020) 143502
*经德累斯顿莱布尼茨固态与材料研究所（Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden e. V.）慷慨许可：本文系经授权转载自《IFW 2020年度报告》。
