新聞網(wǎng)訊 近期，物理科學(xué)學(xué)院張永成團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合作在透明光聲/超聲換能器設(shè)計(jì)及其醫(yī)學(xué)成像方面取得系列成果，分別以“Achieving coaxial photoacoustic/ultrasound dual-modality imaging by high-performance Sm: 0.72PMN-0.28PT transparent piezoelectric ceramic”為題發(fā)表在Nano Energy 132,110390 (2024)（中科院大類一區(qū)），以“Advancement in PMN-PT transparent piezoelectric ceramic for photoacoustic/ultrasound dual-mode imaging”為題發(fā)表在Journal of Materiomics,100932(2024)（中科院大類一區(qū)）。上述成果物理科學(xué)學(xué)院碩士研究生為第一作者，物理科學(xué)學(xué)院張永成、秦亞琳分別為第一通訊作者，青島大學(xué)為第一作者和通訊作者單位，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院為共同通訊作者單位。另外，該團(tuán)隊(duì)還在光聲/超聲換能器關(guān)鍵材料—透明壓電陶瓷方面取得新突破，分別以Enhanced piezoelectricity and temperature stability in La-doped PIN-PMN-PT transparent ceramics by composition regulation為題發(fā)表在Appl. Phys. Lett. 125, 242905 (2024)（自然指數(shù)期刊），以Signiffcantly enhanced piezoelectric properties in PMN-PT transparent ceramics by Sm/Pr co-doping為題發(fā)表在Journal of Alloys and Compounds 1010,177640(2025)（中科院大類二區(qū)）。上述成果青島大學(xué)為第一作者和唯一通訊作者單位，物理科學(xué)學(xué)院碩士研究生為第一作者，物理科學(xué)學(xué)院張永成、劉建一為共同通訊作者。
光聲成像是利用脈沖激光激發(fā)生物組織產(chǎn)生超聲信號來成像的一種新興無損檢測技術(shù)，它結(jié)合了光學(xué)成像的高對比度和超聲成像的高穿透深度的優(yōu)點(diǎn)，可得到高分辨率和高對比度的組織圖像。由于光源和超聲探測器的多參量可調(diào)，光聲成像可實(shí)現(xiàn)從細(xì)胞到生物器官的多尺度成像，在癌癥早期篩查、血管內(nèi)斑塊檢測、淺表微血流成像等領(lǐng)域展示巨大的應(yīng)用潛力。超聲換能器作為光聲成像的關(guān)鍵核心器件，其透明化不僅利于光聲共軸、提高光聲成像分辨率和靈敏度，還可以大大減小器件尺寸，利于其在內(nèi)窺鏡探頭等微型器件中的應(yīng)用。然而，鐵電疇壁及晶粒晶界處的光散射使得制備兼具高壓電性和高透明度的陶瓷材料非常困難，制約了高性能透明光聲換能器的設(shè)計(jì)及其在光聲成像中的應(yīng)用。
近年來，物理科學(xué)學(xué)院積極推進(jìn)“醫(yī)理工”多學(xué)科交叉融合，在新一代光聲成像技術(shù)、太赫茲成像精準(zhǔn)醫(yī)療、靜電紡絲快速止血、醫(yī)用氣體傳感器等方面取得系列成果。張永成團(tuán)隊(duì)從事透明壓電陶瓷及應(yīng)用研究多年，通過稀土元素?fù)诫s改性和燒結(jié)工藝優(yōu)化，率先制備出壓電系數(shù)大于1400pC/N、未鍍增透膜時(shí)近紅外光透過率達(dá)68%（接近理論極限）的二元PMN-PT透明壓電陶瓷（ACS Appl. Mater. Interfaces, 13, 54210?54216(2021)；Journal of Alloys and Compounds 1010, 177640(2025)）以及壓電系數(shù)900-1000pC/N、具有高居里點(diǎn)和高溫度穩(wěn)定性的三元PIN-PMN-PT透明壓電陶瓷（Appl. Phys. Lett. 125, 242905 (2024)；ACS Appl. Mater. Interfaces 15, 7053?7062(2023)）。所報(bào)道的性能均為該體系的最高值，且遠(yuǎn)高于其它已報(bào)道的鉛基和無鉛透明壓電陶瓷。通過物相結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)以及鐵電疇結(jié)構(gòu)的觀察與分析，揭示了其高透明與高壓電共存的機(jī)理。在此基礎(chǔ)上分別與中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、上海理工大學(xué)合作設(shè)計(jì)制作了中心頻率為16-28MHz的透明光聲換能器以及30MHz的高頻超聲換能器，并基于該體系換能器首次實(shí)現(xiàn)了對仿體和活體進(jìn)行了光聲/超聲多模態(tài)成像。如豬動(dòng)脈血管的超聲成像（Ultrasonic Imaging, 46, 312-319(2024)）、小鼠體內(nèi)分子探針的超聲/光聲成像（Nano Energy 132,110390 (2024)），活體小鼠耳朵的皮下微血流的光聲成像（Journal of Materiomics,100932(2024)）等。結(jié)果表明基于高性能透明壓電陶瓷設(shè)計(jì)的超聲/光聲換能器的帶寬和成像效果得到明顯提升，未來有望應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像和診斷，為人民生命健康保駕護(hù)航。
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https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110390
https://doi.org/10.1016/j.jmat.2024.100932
https://doi.org/10.1063/5.0243931
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.177640
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