拓扑声流体学：解锁拓扑材料在生命科学应用的新钥匙

《Nature Materials》：Topological acoustofluidics

为探究拓扑波材料与流体动力学相互作用及应用，研究人员构建拓扑声流体芯片，获重要成果，助力生命科学发展。

　　# 拓扑声流体学：从基础物理到生命科学应用的探索之旅
在微观世界中，物质的各种特性和相互作用一直是科学家们深入探索的领域。拓扑波材料作为凝聚态物理领域的重要研究对象，其独特的性质引起了广泛关注。然而，目前对于拓扑波材料与流体动力学之间复杂的相互作用，以及拓扑波材料在生命科学领域的应用，人们了解甚少。

为了填补这些知识空白，来自杜克大学（Duke University）、弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Materials》上，为拓扑材料在生命科学领域的应用开辟了新的道路。

研究人员主要采用了微纳加工技术、数值模拟技术以及多种实验测量技术来开展此项研究。通过微纳加工技术制备出拓扑声流体芯片，利用数值模拟软件 COMSOL Multiphysics 对声学和流体场的相互作用进行模拟，同时运用多种荧光显微镜对实验现象进行观察和测量。

拓扑声流体芯片的设计

研究人员设计了由微尺度固液双相域构成的拓扑声流体芯片。在固体域，他们在 128° Y 切割的铌酸锂（LiNbO₃）上电镀了铜柱构成的六角谷声子晶体（VPC）；在流体域，将液体层添加到聚二甲基硅氧烷（PDMS）微腔中。这种设计旨在创建类似于石墨烯中电子谷赝自旋的弹性谷自旋。

通过模拟调制表面声波（SAWs）在流体中的带结构，研究人员发现当铜柱直径不同时，会在布里渊区角（K 和 K'）处出现狄拉克点，并在 K（K'）谷打开带隙。此外，流体高度与铜柱高度的比例对自旋纹理从固体域到流体域的转移至关重要。

手性涡旋和谷涡旋的可视化

自旋或赝自旋是拓扑材料的基本物理特性，但此前其自旋纹理难以可视化。研究人员在流体中成功创建了谷涡旋和谷边缘传输，并实现了对纳米到微米尺寸粒子操控的高度可调弹性谷自旋强度。

通过反转铜柱直径，研究人员获得了两种具有相反手性的谷霍尔相（VPC1 和 VPC2），并利用 200nm 荧光悬浮粒子实验观察到了 VPC1 和 VPC2 中的手性涡旋。此外，他们还证实了拓扑边缘态的反向免疫波传输特性，观察到 200nm 聚苯乙烯粒子以反向免疫的方式进行拓扑传输。

研究发现，谷自旋密度与材料的杨氏模量和晶格常数有关，通过实验验证了弹性谷自旋的可调性。当谷自旋密度增加时，1μm 粒子会出现顺时针谷流涡旋，这一现象对于理解拓扑材料中的谷物理具有重要意义。

用于粒子操控的拓扑压力阱

研究人员在流体相中发现了奇特的拓扑压力阱，这与固体或空气系统中的情况截然不同。他们将这一概念与受限边缘模式相结合，开发出用于分子操控的拓扑微流控装置。

通过模拟和实验，研究人员证实了拓扑压力阱的存在。当调整水流体高度接近铜柱高度时，拓扑压力阱可主导谷流涡旋，吸引粒子迁移到压力极小值处。而且，通过调整输入电压可以轻松调整拓扑压力阱的强度，进而控制粒子的运动速度。

利用受限边缘模式的特性，研究人员开发了拓扑声子镊子，实验结果表明，拓扑声流体装置能够有效地操控 DNA 分子，其性能明显优于传统的声流体装置。

边缘模式对衬底结构的依赖性

在自然拓扑材料中，晶体对称性会导致奇特的物理和拓扑现象。研究人员将这一概念扩展到拓扑波材料，研究了边缘模式对衬底晶体结构的依赖性。

通过改变低对称 128° Y 切割 LiNbO₃的晶体取向，研究人员发现边缘态具有二重旋转对称性。随着角度 θ 从 0° 增加到 180°，边缘态带宽在 90° 时达到最大值，在 0° 和 180° 左右达到最小值，带宽调制幅度达到 93.2%。

研究人员通过理论推导和实验测量，进一步证实了谷 - 晶体结构相互作用对边缘态的影响。这种相互作用导致了边缘态的取向依赖性和带宽扩展，对于设计单片集成边缘模式器件具有重要意义。

研究结论与展望

这项研究通过观察弹性谷与非线性流体动力学之间的复杂相互作用，发现了谷涡旋和手性涡旋，这些涡旋能够使粒子同步旋转并以反向免疫的方式传输。此外，研究人员还发现了流体中的拓扑压力阱，并利用其实现了 DNA 分子的实验浓缩，这为成像生物分子在流体和固体结构中的行为提供了可能。同时，揭示了拓扑声流体边缘态对衬底晶体结构的取向依赖性。

这些研究成果不仅有助于深入理解拓扑自旋纹理及其状态转变，还在原子尺度电子与微观粒子成像之间建立了新的联系，为电子和原子系统中涉及自旋纹理的各种场景提供了在微尺度流体相中的可视化方法。此外，该研究超越了电子、原子、光子和声学系统中拓扑物理的边界，为粒子、细胞和分子的非常规操控提供了新的机会，有望推动机械生物学研究的发展。未来，随着对拓扑声流体学现象的进一步研究，有望开发出更多基于拓扑材料的创新生物医学应用。