东华大学丁彬教授AM：环保纳米声学膜，实现高效防水与近乎无损的宽带声透传

随着人工智能技术的飞速发展，语音交互正在重塑可穿戴设备、机器人、无人机和智能汽车等人机交互电子设备的应用场景。作为连接物理世界与智能感知系统的关键“窗口”，声学端口极易受到水和粉尘的侵入，导致设备腐蚀、短路甚至失效。传统的声学防水透声膜面临着一个难以调和的矛盾：要么为了追求完全防水而牺牲透气性，导致显著的声传输损失；要么为了透气而无法提供足够防护。更严峻的是，现有商用膜的制备过程普遍依赖有毒溶剂和含氟聚合物，这些“永久性化学品”对环境、生物体健康构成了严重威胁。

针对这一挑战，东华大学丁彬教授、田昱城博士团队受计算机科学中的质心泰森多边形分形方法启发，开发出一种独特的绿色电纳米图案化技术，成功制备出环保型CVT纳米线网络声学膜。该膜由直径仅15纳米的超细纳米线构成，形成了约190纳米的纳米级孔径，兼具超疏水性和极低的气流阻力率。实验表明，该膜在63至20000赫兹的宽频范围内，声传输损失低于0.35分贝，同时能抵抗高达110千帕的水压，实现了防水与透声性能的兼得。相关论文以“Eco-Friendly Centroidal Voronoi-Tessellated Nanowire Networks for Efficient Ingress Protection and Broadband Acoustic Transparency”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队首先通过调控绿色三元介稳溶液体系，利用泰勒锥喷出液滴中非溶剂种子的快速相分离机制，成功自组装出二维CVT纳米结构网络。扫描电镜图像显示，该网络由直径仅为5-30纳米的无限延伸一维纳米线构成，平均直径仅15纳米，比传统静电纺纳米纤维的直径小了两个数量级。这种深亚波长尺度的纳米线结构，为其在宽频声学范围内的“声学隐身”效应奠定了基础。更重要的是，该制备技术具有良好的可扩展性，已能制备出宽80厘米、厚约20微米的卷装自支撑膜。实验演示中，将这种膜置于持续通气的盛水容器底部，气泡可以自由通过而水完全不会泄漏；将其集成到MEMS麦克风中后，在5千赫兹频率下的声传输损失仅为0.34分贝，不到商用PTFE膜的十分之一，综合性能远超现有材料。

图1 EcoCVT-net防水透声膜用于语音人工智能人机交互电子设备的示意图。

图2 (a) 基于Avrami-Johnson-Mehl方法的Voronoi图构建原理示意图，每个圆形区域从成核种子点（Si, i=1,2,3,...,n）生长，直到它们在紫色边界处相互接触。 (b) 绿色电纳米图案化技术及EcoCVT-net膜性能示意图。 (c) 不同放大倍数下EcoCVT-net膜的SEM图像。 (d) 本工作与传统静电纺纳米纤维膜的纤维直径分布对比。 (e) 大面积照片、(f)防水透气能力展示、(g)不同展示形式的EcoCVT-net膜声学透气窗样品。 (h) PTFE膜与EcoCVT-net膜在5 kHz频率下的STL对比。 (i) EcoCVT-net膜与其他已报道W&A膜的性能对比，其中d代表纤维直径，t是材料厚度，λ表示20 kHz声波的波长。

为揭示这种独特结构的形成机理，研究者构建了流体动力学模型并绘制了聚合物/乙醇/水的三元相图。理论计算与实验观察发现，当水含量超过1%时，泰勒锥会从连续射流转为微小液滴喷射。随着水含量从2%增至6%，相分离过程逐渐加剧，薄膜从致密结构演变为均匀分布的孔隙，最终形成全覆盖的二维CVT纳米纤维网络（6-79体系）。但当水含量过高（8%）时，则会因过度相分离导致纳米纤丝断裂。通过实时光透过率监测和分子间静电势能计算，研究团队阐明了相分离的动力学过程：乙醇快速挥发后，均匀分布的水分子簇作为成核种子触发非溶剂诱导相分离，聚合物链被排斥并自组装成有序的富集区，最终形成蜂窝状均匀镶嵌的CVT纳米图案。

图3 (a) 流体的电荷密度。 (b) 水浓度分别为0和1 wt.%时得到的流体喷射光学图像（上）和所得纳米材料的SEM图像（下）。 (c) 聚合物/乙醇/水体系的三元相图。 (d) 从(c)中四条不同水/乙醇比例路径获得的EPU膜的SEM图像；插图为伪紫色图像。 (e) 不同聚合物/乙醇/水溶液的相对光透过率偏差。 (f) EPU/乙醇、EPU/水、乙醇/水体系的分子片段相互作用的静电相互作用能及其IGMH可视化相互作用等值面图。图中的青色、蓝色、红色和白色球体分别代表碳、氮、氧和氢原子。 (g) 通过变形薄膜相分离自组装形成EcoCVT-net的示意图。 在(b)、(d)和(e)中，X-Y分别代表水和乙醇的浓度（wt.%）。

得益于全覆盖的均匀CVT纳米图案，该膜的孔径分布集中在180-280纳米之间，平均孔径仅0.19微米，比传统纳米纤维膜和PTFE膜小一个数量级。同时，膜表面的微乳头结构使其达到超疏水状态（水接触角151°），对不同液体（水、油、咖啡）的耐水压达22-110千帕。在空气渗透率方面，由于20纳米直径的纳米线小于空气分子的平均自由程（约65纳米），产生了气流滑移效应，使得在4000帕测试压力下，其空气渗透率达2.484×10³升每平方米每秒，是同等厚度PTFE膜的3.4倍以上。在声学性能上，该膜在63-6300赫兹范围内STL低于0.35dB，透射系数高于0.96，而PTFE膜在高频段透射系数急剧下降。有限元模拟进一步证实，高孔隙率和低气流阻力使其具有极佳的声阻抗匹配，而深亚波长尺度的纳米线在瑞利散射机制下散射强度极低，共同构成了其宽带声透明机制。

图4 (a) 数值拉普拉斯压力。 (b) PTFE膜、含氟纳米纤维膜和EcoCVT-net膜的孔径分布。 (c) EcoCVT-net膜对不同液体的接触角和耐水压。 (d) PTFE膜和EcoCVT-net膜的空气渗透率，插图为气流速度场模拟。 (e) STL和透射系数、(f)气流阻力和孔隙率、(g) PTFE膜和EcoCVT-net膜的模拟声场分布对比；白色箭头表示入射平面波。 (h) EcoCVT-net膜的宽带声透明机理示意图，其中Pref、Pabs和Pscat分别代表声波的反射、吸收和散射声压级。 (i) 膜的声音压力级分布对比。

作为概念验证，研究团队将该膜集成到基于AI的语音人机交互设备中。在消声室进行的录音对比实验中，与无保护膜的麦克风相比，EcoCVT-net声学透气窗在高达15千赫兹的宽频范围内几乎无信号损失，而PTFE声学透气窗在10千赫兹以上出现明显衰减和失真。在实际应用中，集成该膜的AI开发板能精准识别用户的语音指令，实现语音唤醒、问答和语音控制等功能。更关键的是，经过1000小时的IP68级防尘防水测试（水深1.2米浸泡+1250目滑石粉覆盖），模块的声响应强度几乎无变化，MEMS麦克风振膜上未检测到任何粉尘，展现出卓越的长期防护稳定性。

图5 (a) 定制声学透气窗的结构示意图和照片。 (b) 消声室内录音质量对比装置照片。 (c) 无透气窗、通过PTFE膜和EcoCVT-net声学透气窗记录的原始音频波形和声谱图。 (d) PTFE膜与EcoCVT-net声学透气窗自由场响应对比。 (e) EcoCVT-net声学透气窗应用于语音人机交互的照片。 (f) 声学模块IP68级防护测试照片。 (g) 在IP68耐久性测试前后，声学模块记录的2000 Hz正弦波形，插图为MEMS麦克风振膜的SEM图像。

这项研究通过绿色电纳米图案化技术，成功实现了环保型超细纳米线网络的可控制备，从根本上解决了传统声学防水透声膜长期存在的“防水-透声”性能平衡难题。这种基于质心泰森多边形结构的纳米网络设计策略，不仅为纤维声学超材料提供了可持续发展的新路径，更有望推动下一代语音交互人机电子设备向更环保、更高性能的方向迈进。