“二维超薄共振鼓”构建高性能吸声泡沫

鼓是我国传统的打击乐器，通过鼓皮振动调谐声音，这是几千年来先人智慧的体现。其中，鼓皮厚度与共振发声紧密相关。进入纳米科技时代以来，二维超薄片层作为一种天然的“鼓皮”材料可以用来做什么呢？

在2016年，康奈尔大学曾采用石墨烯膜制成了微米级的鼓，可通过电压激励将一种机械振动转换成另一种模式的机械振动，在纳米共振器件领域引起了广泛关注。但是如何将二维片层的纳米共振性能应用于宏观材料领域仍存在挑战。

工作亮点

1. 在传统聚合物泡沫骨架内部构筑超薄石墨烯纳米鼓结构，既实现了多孔泡沫对声波的摩擦损耗，又充分发挥了超薄石墨烯鼓的共振效应协同增强吸声。
2. 结合实验及模拟证实了超薄石墨烯纳米鼓共振效应与石墨烯厚度之间存在负相关的关系，为高性能二维共振材料的研究奠定了理论基础。
3. 通过简单方法即可将商用泡沫转化为高性能吸声材料，平均吸声系数提高了~320%，并且该材料制备成本较低、容易量产，有利于产业化应用。

图1. A) 高性能石墨烯吸声泡沫主要由聚合物泡沫骨架和嵌入的超薄石墨烯膜组成。B) 石墨烯吸声泡沫的吸声机理主要分为：孔隙内部空气摩擦损耗和超薄石墨烯鼓共振损耗。

图2. A) 石墨烯吸声泡沫的制备示意图，主要分为：浸渍、溶塑发泡和干燥还原等过程。B-D) 石墨烯吸声泡沫制备过程中的扫描电镜图。E) 吸声泡沫内部超薄石墨烯膜典型厚度的透射电镜图。F) 大尺寸石墨烯吸声泡沫的机械稳定性展示。

图3. A) 超薄石墨烯纳米膜光学图。B) 石墨烯纳米鼓结构的扫描电镜图。C) 超薄石墨烯膜厚度及原子力显微镜观察图。D) 超薄石墨烯鼓结构共振效应研究装置示意图，主要包括：压电PVDF薄膜作为声频输入源，上下为银电极，激光振动计作为检测输出源。E) 在200Hz频率输入下，压电薄膜及覆有20， 40， 320 nm石墨烯膜的振动曲线。F) 在宽频（200-6000 Hz）输入下，压电薄膜及覆有20，40，320 nm石墨烯膜的振动曲线。G, H) 通过有限元模拟计算所得到石墨烯鼓结构的振动数据。

图4. A) 聚合物泡沫(PF)、浸渍石墨烯的聚合物泡沫(PF-rGO)及高性能石墨烯吸声泡沫(PFGA)的吸声曲线。B) PFGA在不同厚度下的吸声曲线。C) 不同厚度的PF和PFGA的平均吸声系数(200-6000 Hz)对比。D) PFGA的吸声范围可覆盖较宽的频率，包括住宅噪声、人声、交通噪声和工业噪声等。E) 在不同厚度下，PFGA与其它材料比降噪系数的对比。

图5. A) 石墨烯吸声泡沫的实际应用性能展示图。B) 通过压电蜂鸣器输入200Hz的声源，经过PF和PFGA吸声箱后的声压曲线。C) PFGA吸声箱对于不同频率声波的声压降低率。D) 在复杂声音环境中的吸声性能展示装置，主要包括音乐输入源、PFGA箱、声学探头、放大电路及数据采集卡。E) 输入“超级玛丽”音频后，有无PFGA箱所得到的声压曲线。

该工作通过利用二维超薄石墨烯的共振效应，简单快速的将低成本泡沫转化为高性能吸声材料，推动了石墨烯材料的产业化发展，并且为二维超薄材料在声学共振领域的进一步研究提供了新的设计思路。该工作在高超教授团队前期积累和前人经验总结的基础上完成（Advanced Materials, 2013, 25(18):2554-2560；Nature Communications, 2018, 9(1):881；Science Advances, 2020, 6(46):eabd4045）。