超構表面（Metasurface）作為一種二維人工電磁材料，通過控制電磁波的振幅、相位和偏振，在操控電磁波方面發揮著關鍵作用。實現這種控制需要設計具有特定幾何形狀和周期性的亞波長超構原子。在微流控超構表面（Microfluidic Metasurface）中，可以通過改變液體超構原子的幾何結構或液體介質的折射率來動態調節光學性質。利用液體材料的流動性，微流控超構表面在可重構性和柔韌性方面表現出卓越的性能。這些特性不僅建立了一個前沿的研究領域，而且拓寬了有源超構表面器件的應用范圍。
此外，在微流控系統中集成超構表面帶來了新的功能，包括增強的粒子操控和傳感技術。與傳統的基于固體材料的超構表面相比，微流控超構表面提供了更大的設計自由度，使其在電磁（EM）吸收、光學傳感、全息顯示和可調光學超構器件（如平面透鏡和偏振器）等不同領域中均具有優勢。
據麥姆斯咨詢報道，近日，由電子科技大學的朱偉明研究員和何少偉副研究員領導的科研團隊在Advanced Physics Research期刊上發表了題為“Microfluidic Metasurfaces: A New Frontier in Electromagnetic Wave Engineering”的綜述文章。研究人員首先介紹了微流控超構表面的新功能，包括可重構性、柔韌性和可集成性。深入研究了這些超構表面的潛在機制、調制方法和整體功能。隨后，探討了它們在各個領域的應用，包括透鏡、光束操控、全息、偏振轉換、手性控制、吸收和傳感。最后，討論了微流控超構表面的未來發展。鑒于微流控技術和納米制造技術的持續革命，研究人員預計，具有可調性和柔韌性的可重構微流控超構表面將在柔性電子、人造皮膚和有源電磁偽裝等領域得到廣泛應用。
微流控超構表面：超構表面與微流控芯片的集成增強了超構器件的功能
1. 微流控超構表面的新功能
微流控超構表面利用具有流動性的液體材料，既可以作為重塑或重新定義超構表面的構建塊，也可以作為通過替換或混合其它液體溶液來改變折射率的介質。微流控技術的發展使得在預先設計的微通道內實現可重構的超構原子成為可能。這種柔韌性使微流控超構表面具有適應性強和可重構的結構。微流控超構表面的柔韌性使其適用于曲面應用，而無需擔心機械應力下的結構損壞或分離。此外，緊湊尺寸的超構表面可以與微流控芯片集成。通過改變周圍介質，這些芯片可以動態控制超構表面的光學特性，以用于生物傳感等領域。因此，微流控超構表面在可重構、柔韌性和無縫集成方面具有優勢，有望用于各種新的前沿應用。
可重構的微流控超構表面
具有柔韌性的微流控超構表面
集成微流控系統的超構器件
2. 微流控超構表面的應用
與傳統的基于固體材料的超構表面相比，微流控超構表面提供了卓越的可重構性、柔韌性和可集成性，使其在新興應用中極具前景。微流控超構表面的可重構性在光場操控方面提供了更大的自由度，使有源超構表面光學器件（例如透鏡、光束操控元件和偏振轉換器）的設計成為可能。固有的柔韌性和可拉伸性使微流控超構表面即使在彎曲的環境中也能保持穩定的性能，使其適用于電磁屏蔽、柔性電子器件和可穿戴傳感器等應用。集成能力推動這些超構表面器件朝著芯片級、便攜式和經濟高效的方向發展，潛在的應用領域包括濃度檢測、生物傳感器和顯示器。因此，基于微流控超構表面的廣泛應用已經得到證實，包括電磁吸收器、傳感器、可調諧透鏡等。
基于微流控超構表面的電磁吸收器
基于微流控超構表面的光子傳感器
用于可調諧透鏡的微流控超構表面
用于光束操控的微流控超構表面
用于可調諧顯示和全息照相的微流控超構表面
基于微流控超構表面的偏振轉換器件
微流控超構表面的手性控制
總之，微流控超構表面通過操控液體超構原子或液體介質，可以精確控制其電磁特性。與傳統的基于固體材料的超構表面不同，微流控變體提供了更大的設計自由度。因此，它們在尖端領域得到了應用，如電磁吸收、光學傳感器、全息顯示器和可調諧光學超構器件（包括平面透鏡和偏振器）。
微流控超構表面目前具有有限的工作帶寬（GHz或THz）和緩慢的調諧速度（赫茲或亞赫茲）。因此，它們的應用主要局限于高速調制并不重要的可調諧吸收器或其它功能可切換器件。這些挑戰源于在微流控平臺上產生和操控較小液體氣泡的困難，以及在室溫下液體材料的有限選擇。然而，隨著微流控系統中皮升（picolitre）液滴產生和操控技術的進步，這些超構表面將以更快的調諧速度（kHz或更高）將其能力擴展到更高的頻率區域（紅外或更高）。
可以預見，微流控超構表面將集成到用于濃度檢測、生物傳感和顯示的傳感器平臺中，從本質上創造一個“片上實驗室（lab on a chip）”。這些超構表面將產生令人興奮的技術，包括手性粒子分選和操控，以及無顯微鏡生物傳感器。隨著微流控技術的成熟和納米制造技術的進步，基于微流控超構表面的可調諧光學器件將在穩定性和調諧速度方面有所提高。這些進展將為新的前沿技術鋪平道路，例如集成傳感器、顯示器、吸收器，甚至智能人工皮膚。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/apxr.202400059
延伸閱讀：
《光學和射頻領域的超構材料和超構表面-2024版》
《光學和射頻應用的超構材料-2024版》
《超構透鏡（Metalens）專利態勢分析-2024版》
《即時診斷應用的生物傳感器技術及市場-2022版》
