東華大學丁彬教授AM：環保納米聲學膜，實現高效防水與近乎無損的寬帶聲透傳

隨著人工智能技術的飛速發展，語音交互正在重塑可穿戴設備、機器人、無人機和智能汽車等人機交互電子設備的應用場景。作為連接物理世界與智能感知系統的關鍵“窗口”，聲學端口極易受到水和粉塵的侵入，導致設備腐蝕、短路甚至失效。傳統的聲學防水透聲膜面臨著一個難以調和的矛盾：要么為了追求完全防水而犧牲透氣性，導致顯著的聲傳輸損失；要么為了透氣而無法提供足夠防護。更嚴峻的是，現有商用膜的制備過程普遍依賴有毒溶劑和含氟聚合物，這些“永久性化學品”對環境、生物體健康構成了嚴重威脅。

針對這一挑戰，東華大學丁彬教授、田昱城博士團隊受計算機科學中的質心泰森多邊形分形方法啟發，開發出一種獨特的綠色電納米圖案化技術，成功制備出環保型CVT納米線網絡聲學膜。該膜由直徑僅15納米的超細納米線構成，形成了約190納米的納米級孔徑，兼具超疏水性和極低的氣流阻力率。實驗表明，該膜在63至20000赫茲的寬頻范圍內，聲傳輸損失低于0.35分貝，同時能抵抗高達110千帕的水壓，實現了防水與透聲性能的兼得。相關論文以“Eco-Friendly Centroidal Voronoi-Tessellated Nanowire Networks for Efficient Ingress Protection and Broadband Acoustic Transparency”為題，發表在

Advanced Materials

研究團隊首先通過調控綠色三元介穩溶液體系，利用泰勒錐噴出液滴中非溶劑種子的快速相分離機制，成功自組裝出二維CVT納米結構網絡。掃描電鏡圖像顯示，該網絡由直徑僅為5-30納米的無限延伸一維納米線構成，平均直徑僅15納米，比傳統靜電紡納米纖維的直徑小了兩個數量級。這種深亞波長尺度的納米線結構，為其在寬頻聲學范圍內的“聲學隱身”效應奠定了基礎。更重要的是，該制備技術具有良好的可擴展性，已能制備出寬80厘米、厚約20微米的卷裝自支撐膜。實驗演示中，將這種膜置于持續通氣的盛水容器底部，氣泡可以自由通過而水完全不會泄漏；將其集成到MEMS麥克風中后，在5千赫茲頻率下的聲傳輸損失僅為0.34分貝，不到商用PTFE膜的十分之一，綜合性能遠超現有材料。

圖1 EcoCVT-net防水透聲膜用于語音人工智能人機交互電子設備的示意圖。

圖2 (a) 基于Avrami-Johnson-Mehl方法的Voronoi圖構建原理示意圖，每個圓形區域從成核種子點（Si, i=1,2,3,...,n）生長，直到它們在紫色邊界處相互接觸。 (b) 綠色電納米圖案化技術及EcoCVT-net膜性能示意圖。 (c) 不同放大倍數下EcoCVT-net膜的SEM圖像。 (d) 本工作與傳統靜電紡納米纖維膜的纖維直徑分布對比。 (e) 大面積照片、(f)防水透氣能力展示、(g)不同展示形式的EcoCVT-net膜聲學透氣窗樣品。 (h) PTFE膜與EcoCVT-net膜在5 kHz頻率下的STL對比。 (i) EcoCVT-net膜與其他已報道W&A膜的性能對比，其中d代表纖維直徑，t是材料厚度，λ表示20 kHz聲波的波長。

為揭示這種獨特結構的形成機理，研究者構建了流體動力學模型并繪制了聚合物/乙醇/水的三元相圖。理論計算與實驗觀察發現，當水含量超過1%時，泰勒錐會從連續射流轉為微小液滴噴射。隨著水含量從2%增至6%，相分離過程逐漸加劇，薄膜從致密結構演變為均勻分布的孔隙，最終形成全覆蓋的二維CVT納米纖維網絡（6-79體系）。但當水含量過高（8%）時，則會因過度相分離導致納米纖絲斷裂。通過實時光透過率監測和分子間靜電勢能計算，研究團隊闡明了相分離的動力學過程：乙醇快速揮發后，均勻分布的水分子簇作為成核種子觸發非溶劑誘導相分離，聚合物鏈被排斥并自組裝成有序的富集區，最終形成蜂窩狀均勻鑲嵌的CVT納米圖案。

圖3 (a) 流體的電荷密度。 (b) 水濃度分別為0和1 wt.%時得到的流體噴射光學圖像（上）和所得納米材料的SEM圖像（下）。 (c) 聚合物/乙醇/水體系的三元相圖。 (d) 從(c)中四條不同水/乙醇比例路徑獲得的EPU膜的SEM圖像；插圖為偽紫色圖像。 (e) 不同聚合物/乙醇/水溶液的相對光透過率偏差。 (f) EPU/乙醇、EPU/水、乙醇/水體系的分子片段相互作用的靜電相互作用能及其IGMH可視化相互作用等值面圖。圖中的青色、藍色、紅色和白色球體分別代表碳、氮、氧和氫原子。 (g) 通過變形薄膜相分離自組裝形成EcoCVT-net的示意圖。 在(b)、(d)和(e)中，X-Y分別代表水和乙醇的濃度（wt.%）。

得益于全覆蓋的均勻CVT納米圖案，該膜的孔徑分布集中在180-280納米之間，平均孔徑僅0.19微米，比傳統納米纖維膜和PTFE膜小一個數量級。同時，膜表面的微乳頭結構使其達到超疏水狀態（水接觸角151°），對不同液體（水、油、咖啡）的耐水壓達22-110千帕。在空氣滲透率方面，由于20納米直徑的納米線小于空氣分子的平均自由程（約65納米），產生了氣流滑移效應，使得在4000帕測試壓力下，其空氣滲透率達2.484×103升每平方米每秒，是同等厚度PTFE膜的3.4倍以上。在聲學性能上，該膜在63-6300赫茲范圍內STL低于0.35dB，透射系數高于0.96，而PTFE膜在高頻段透射系數急劇下降。有限元模擬進一步證實，高孔隙率和低氣流阻力使其具有極佳的聲阻抗匹配，而深亞波長尺度的納米線在瑞利散射機制下散射強度極低，共同構成了其寬帶聲透明機制。

圖4 (a) 數值拉普拉斯壓力。 (b) PTFE膜、含氟納米纖維膜和EcoCVT-net膜的孔徑分布。 (c) EcoCVT-net膜對不同液體的接觸角和耐水壓。 (d) PTFE膜和EcoCVT-net膜的空氣滲透率，插圖為氣流速度場模擬。 (e) STL和透射系數、(f)氣流阻力和孔隙率、(g) PTFE膜和EcoCVT-net膜的模擬聲場分布對比；白色箭頭表示入射平面波。 (h) EcoCVT-net膜的寬帶聲透明機理示意圖，其中Pref、Pabs和Pscat分別代表聲波的反射、吸收和散射聲壓級。 (i) 膜的聲音壓力級分布對比。

作為概念驗證，研究團隊將該膜集成到基于AI的語音人機交互設備中。在消聲室進行的錄音對比實驗中，與無保護膜的麥克風相比，EcoCVT-net聲學透氣窗在高達15千赫茲的寬頻范圍內幾乎無信號損失，而PTFE聲學透氣窗在10千赫茲以上出現明顯衰減和失真。在實際應用中，集成該膜的AI開發板能精準識別用戶的語音指令，實現語音喚醒、問答和語音控制等功能。更關鍵的是，經過1000小時的IP68級防塵防水測試（水深1.2米浸泡+1250目滑石粉覆蓋），模塊的聲響應強度幾乎無變化，MEMS麥克風振膜上未檢測到任何粉塵，展現出卓越的長期防護穩定性。

圖5 (a) 定制聲學透氣窗的結構示意圖和照片。 (b) 消聲室內錄音質量對比裝置照片。 (c) 無透氣窗、通過PTFE膜和EcoCVT-net聲學透氣窗記錄的原始音頻波形和聲譜圖。 (d) PTFE膜與EcoCVT-net聲學透氣窗自由場響應對比。 (e) EcoCVT-net聲學透氣窗應用于語音人機交互的照片。 (f) 聲學模塊IP68級防護測試照片。 (g) 在IP68耐久性測試前后，聲學模塊記錄的2000 Hz正弦波形，插圖為MEMS麥克風振膜的SEM圖像。

這項研究通過綠色電納米圖案化技術，成功實現了環保型超細納米線網絡的可控制備，從根本上解決了傳統聲學防水透聲膜長期存在的“防水-透聲”性能平衡難題。這種基于質心泰森多邊形結構的納米網絡設計策略，不僅為纖維聲學超材料提供了可持續發展的新路徑，更有望推動下一代語音交互人機電子設備向更環保、更高性能的方向邁進。