声波能推动智能材料的发展

虽然声波几十年来一直是科学和医学的一部分超声波1942年首次用于临床成像，20世纪80年代用于驱动化学反应——这些技术一直依赖于低频。

现在，RMIT大学的研究人员展示了高频声波是如何彻底改变超声波驱动的化学领域的。一篇新的评论发表在先进的科学揭示了这些声波对材料和细胞的奇怪影响，比如分子在受到相当于半拖车的声波冲击后，似乎会自发地进行自我调整。

研究人员还详细介绍了他们的开创性工作的各种令人兴奋的应用，包括:

• 药物输送肺部——获得专利的雾化技术，可以通过吸入而不是注射来提供拯救生命的药物和疫苗
• 药物保护纳米颗粒——将药物封装在特殊的纳米涂层中，以保护药物不变质，控制药物随时间的释放，并确保药物精确地瞄准体内正确的位置，比如肿瘤或感染
• 突破智能材料-可用于存储、分离、释放、保护几乎任何东西的超多孔纳米材料的可持续生产
• 纳米制造2D材料-精确、经济、快速的原子薄剥离量子点和nanosheets

首席研究员杨国荣教授和他的团队花了十多年的时间研究频率在10兆赫兹以上的声波与不同材料之间的相互作用。但是Yeo说，他们现在才刚刚开始了解他们在实验室中经常观察到的奇怪现象的范围。他说:“当我们将高频声波耦合到流体、材料和细胞中时，效果是非凡的。”“我们已经利用这些声波的力量来开发创新的生物医学技术，并合成先进的材料．但我们的发现也改变了我们对超声波驱动化学的基本理解，并揭示了我们真正了解的太少。试图解释我们所看到的科学，然后应用它来解决实际问题，是一个巨大而令人兴奋的挑战。”

声波:如何用声音驱动化学

RMIT的研究团队，包括Amgad Rezk博士，Heba Ahmed博士和Shwathy Ramesan博士，他们在一个微芯片上产生高频声波来精确地操纵流体或材料。长期以来，超声波一直被用于低频(约10khz至3mhz)，以驱动化学反应，这一领域被称为“声化学”。在这些低频率下，声化学反应是由气泡的剧烈内爆驱动的。这个过程被称为空化，会产生巨大的压力和超高的温度，就像一个极小的、非常局部的压力锅。

但是如果你提高反应的频率，这些反应就会完全改变。当高频声波被传输到各种材料和细胞时，研究人员看到了低频超声波从未观察到的行为。“我们已经看到了自定序分子，它们似乎沿着声波的方向在晶体中自我定位，”Yeo说。“所涉及的声波波长可以比单个分子大10万倍，所以令人难以置信的是，如此小的东西如何能被如此大的东西精确地操纵。”这就像驾驶一辆卡车穿过随机散落的乐高积木，然后发现这些积木很好地堆叠在一起——这是不应该发生的!”

生物医学的进步

虽然低频空化通常可以破坏分子和细胞，但它们在高频声波下基本完好无损。这使得它们足够温和，可以用于生物医学设备中，在不影响其完整性的情况下操纵生物分子和细胞——这是RMIT研究团队获得各种药物递送技术专利的基础。

其中一种专利设备是一种廉价、轻便、便携的先进雾化器，它可以精确地输送DNA和抗体等大分子，这与现有的雾化器不同。这开启了无痛、无针的可能性接种疫苗和治疗。

雾化者使用高频声波刺激液体或药物的表面，产生一种细雾，可以将较大的生物分子直接输送到肺部。雾化技术也可用于将药物封装在保护性聚合物中纳米粒子这一步将纳米制造和药物传递结合在一起。此外，研究人员还发现，用高频声波照射细胞可以使治疗分子插入细胞而不受损伤，这种技术可以用于新兴的基于细胞的治疗。

智能材料

该团队利用声波驱动晶体化，以可持续生产金属有机框架(MOFs)。MOFs被预测为21世纪的定义材料，是理想的传感和捕获微小浓度的物质，净化水或空气，也可以保存大量的能量，用于制造更好的电池和能源存储设备。

虽然在财政部的传统过程可以花几小时或几天,需要使用的溶剂或密集的能量流程,RMIT团队开发了一个干净,声音wave-driven技术,可以在几分钟内产生一个定制MOF和可以很容易地扩大高效的大规模生产。声波也可以用于纳米制造二维材料从柔性电路到太阳能电池，它被广泛应用。

扩大规模，拓展界限

RMIT团队下一步的工作重点是扩大这项技术的规模。每台设备的成本仅为0.70美元，可以产生声波微芯片可采用标准工艺大规模制造计算机硅片。杨荣文说:“这开启了通过大规模并行化——同时使用数千个我们的芯片——利用这些声波生产大量工业材料的可能性。”

RMIT工程学院微/纳米物理研究实验室的团队是世界上少数几个将高频声波、微流体和材料结合在一起的研究小组之一。杨荣文说，这项研究挑战了长期存在的物理理论，开辟了一个与声化学平行的“高频激发”新领域。“自19世纪中期建立起来的经典理论并不总是能解释我们看到的奇怪甚至有时矛盾的行为——我们正在挑战我们理解的边界。”