对声空化效应的应用综述论文
1.声空化和海洋生物搁浅
为了更好的侦测潜艇等,海军自20世纪60年以来就开始使用主动声纳(原理见图9)。中频声纳频率为1~10kHz;低频声纳频率小于1kHz。主动声纳的主要原理是首先由声纳发射出探测信号,然后通过接收探测信号遇到物体反射回来的反射波对目标进行分析(例如类型、位置和形状等)。为了增加探测的距离,一般主动声纳的功率都比较大。声纳对于海洋动物的影响是多方面的,比如可能会引起海洋生物的恐慌和干扰其回声定位系统等。这里主要讲述的是与声空化相关的效应。近些年来,人们发现很多的海洋生物(主要是鲸鱼和海豚等)搁浅事件与海军的军事演习在时间和空间上有着很强的关联。2002年9月24日,有10个国家参与的北大西洋公约组织的代号为“NeoTapon2012”的国际海军演习在西班牙加那利群岛(CanaryIslands)附近进行。在使用主动声纳4小时后,演习地点附近发现有14头不同种类的海洋生物搁浅(图10)。随后,科学家通过解剖搁浅的海洋生物尸体(图11)指出海军演习过程中使用的声纳可能是造成此事件的罪魁祸首。在搁浅的海洋动物体内(尤其是肝脏),发现了大量的不同尺度的空泡(图11)。
在局部部位,空泡体积甚至占到总体积的90%。一些微小空泡(直径在50~750m之间)的存在可能导致海洋生物的肝脏组织被压缩,血管膨胀,局部出血和严重的细胞坏死等。那么这些不正常的空泡到底是从哪里来的呢?这些空泡又是如何影响鲸鱼等海洋生物的正常活动呢?学术界有两种解释:第一种解释认为鲸鱼受到声纳的噪音等惊吓,快速浮上水面造成类似于潜水病的症状。但近年来的一些后续研究并不支持此观点。在一次测试中,科学家给一头突吻鲸贴上了“标签”,并跟踪其在声纳使用过程中的行为。实验表明,该鲸鱼缓慢下潜,然后停止其进食活动,远离声源,并最终浮上水面。这与之前科学家所推测的鲸鱼会在声呐的干扰下快速浮出水面并不相符。另一种解释认为搁浅可能跟空泡在含有高饱和度气体的环境中和高功率的声场作用下的增长有关。人们很早就发现在声场的作用下,由于在空泡与周围流体之间存在质量的传递,空泡会缓慢的增长(图12)或缩小。经过几代人不懈的努力,这方面的理论已被逐渐完善,其理论预测值与实验测量值基本吻合,已被学术界广泛的认可和接受。对于固定的频率和特定大小的空泡,声场的强度存在一个阈值。当声场强度高于此阈值时,空泡增长;当声场的强度低于此阈值时,空泡缩小。通常,为了使探测距离更远,主动声纳的功率远高于此阈值。当周围的流体中的气体处于过饱和状态时,空泡的增长速度将显着加快。理论推测,在深海动物中,氮气在组织中的过饱和度将达到300%。在这样高的过饱和度环境中,在声纳的作用下极可能激发空泡的迅速增长和振荡。空泡振荡过程中产生的强大的破坏力可以造成海洋生物内部组织的损伤(图11),最终导致海洋生物搁浅的悲剧。尽管获取上述理论的直接证据是非常困难的,但科学家通过设计一套体外的实验对此问题进行了研究。结果显示,在动物组织中气体保持一定的高饱和度的条件下,声波的存在对于空泡的增长有决定性的影响,能大大促进其生长。由于海洋生物在声纳作用下搁浅的问题非常发杂,很难进行直接的实验去验证上述学术假说,因此其真正的原因至今仍是一个谜,学术界仍存在争论,尚无普遍接受的观点。
2.利用空化效应的碳纳米管切割技术
碳纳米管(图13)是一种圆柱形中空的纳米结构,是碳元素的一种同素异形体(即相同元素组成,但不同形态的单质)。碳纳米管自1991年被发现以来,由于其超常的强度,良好的柔韧性,高熔点等独特的性质引起了学术界的广泛关注。例如,2012年10月29日,IBM的研究人员宣称采用主流半导体工艺第一次将一万多个碳纳米管制作的晶体管精确地放置在了一颗芯片内,并通过了可行性测试,迈出了纳米材料取代硅的第一步。工业生产出来的碳纳米管的微观特性(如长度和直径等)参差不齐,需要进一步的处理(如切割等)。由于碳纳米管的直径很小(一般在1~20nm范围),传统的`切割工艺在这样小的尺度下已无用武之地。近年来,声空化技术逐渐用于对碳纳米管簇进行切割。在声场(一般为20kHz的低频超声)的作用下,溶液中的空泡(其直径约为几十微米大小)附近的压力场发生剧烈变化,从而引起空泡的振荡。由于微米尺度的空泡通常是球形的,空泡的振荡方式主要是径向的(即空泡中心到空泡边缘的方向),在空泡附近形成了一个来回振荡的速度场,对处于其中的碳纳米管产生作用力,从而使空泡附近的碳纳米管被切割。不同长度的碳纳米管在空泡产生的流场下的动力学行为有显着区别(图14):短碳纳米管:在空泡流场的作用下会发生旋转,长度的方向与空泡的径向一致。由于在碳纳米管的两端的速度场不同,离空泡较近的一端速度比离空泡较远的一端大。碳纳米管在该流场的作用下不断的伸缩,从而导致最终被切断。长碳纳米管:在空泡流场的作用下,其长度方向与空泡的切线方向一致。由于流场的作用,碳纳米管被压曲,从而导致断裂。上述两种不同的作用机理将导致不同长度的碳纳米管在相同声场参数的作用下被切割的速率不同。通过对声场的参数和其作用时间的调节,采用这种技术可以从宏观上控制碳纳米管簇(统计意义上)的长度等参数。该项技术仍在进一步研发和完善中。
3.结束语
由于篇幅所限,本文仅从声空化众多应用中选取三例做简要介绍。近些年来,基于声空化效应的医学治疗(如采用基因传递和药物传输方法治疗肿瘤)等领域逐渐成为热点,并且已取得一定的成果。这些崭新的领域的出现也为声空化这一传统领域的研究增添了新的活力和动力。
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