科學家抓住了地震中的」破壞大王」，還給它安排了新工作

作者：劉久玲 何世堂（中國科學院聲學研究所）

繪圖：蔡葛意

什麼是聲表面波（Surface Acoustic Wave ，簡稱SAW）？

估計大部分人聽到這個問題都一臉茫然，有的甚至聽都沒聽過這個名詞。但是如果說到地震，大家就熟悉多了，而且馬上會聯想到很多畫面，比如倒塌的房屋，開裂的地面……而造成這些慘狀的元兇，就是我們開頭提到的聲表面波！

地震產生的聲表面波攜帶著巨大能量，沿著地球表面傳播，所到之處地動山搖，千瘡百孔，給我們帶來了慘重的災難和損失，堪稱「破壞大王」。

怎麼將這個「惡魔」抓住，並為我們所用？為此科學家們研究了很多年。

聲表面波之所以能夠造成那麼大的破壞，就是因為它攜帶著巨大的能量。

如果我們直接上手抓它，估計還沒碰到影兒就已經被它摧毀的房屋埋掉了。要想抓住聲表面波，首先必須解決能量問題，讓它的能量變小點，再變小點，一直小到能被我們輕易控制。

這個事情說起來容易，做起來可一點兒不輕鬆。直到20世紀60年代，兩個美國科學家 White 和 Voltmer 終於解決了這個問題。

他們在具有壓電性能的晶體表面，做上周期性正負相間的金屬電極，然後給電極加上很小很小的電信號，就能在晶體表面激發出能被我們控制的聲表面波。這個沿著晶體表面傳播的聲表面波很微弱，弱到人們都無法直觀感覺到，如果在它的傳播路徑上擺放一個周期相同的電極，當聲表面波傳到這個電極處的時候，科學家就能將它捕獲，並轉化成方便處理的電信號。

抓住聲表面波後，能幹什麼呢？

這傢伙用途非常多，比如做成濾波器用於電視機、手機裡面。今天給大家介紹下另一種應用——電子鼻。

電子鼻，顧名思義，就是一種具有部分鼻子功能的電子產品。人類用鼻子聞一聞氣味就能知道是什麼物質，而我們用聲表面波製作的電子鼻，聞過氣味不僅能知道是什麼物質，而且還能知道含量有多少！意不意外？驚不驚喜？

這個聽起來好像很神奇，但怎樣才能通過聲表面波實現電子鼻的辨物和稱重功能呢？

我們先來說說稱重功能。

前面講過，激發和接收聲表面波需要藉助壓電晶體及其表面製作的周期電極。發射電極用弱電信號激發聲表面波，聲表面波被激發出來後，就以一定的速度沿晶體表面傳播，直到被接收電極捕獲。

在壓電晶體表面傳播的聲表面波，就像一個自由行走的人，如果在發射電極和接收電極之間的晶體表面再加點東西，比如用冷凝手段將某些物質吸附在晶體表面，那麼就像突然給這個人背上了重物，他的行走速度必然受到影響，背得越重，速度越慢。通過測試速度變化，就可以推算出聲表面波背上重物的質量。

現在，稱重「秤」功能已經實現了，「多少」知道了。

但是，「聞味辨物」的本領單靠聲表面波就做不到了，那該怎麼辦呢？我們需要藉助別的手段，比如氣相色譜。氣相色譜是什麼？用來幹嘛的？

氣相色譜（Gas Chromatography，簡稱GC）是20世紀50年代出現的一種分離、分析技術。簡單地說，我們將混合氣體「吸入」到氣相色譜的色譜柱里「聞一聞」，在氣流帶動下，被混合的各種氣體按各自的速度沿著柱子跑，速度相同的物質集中在一起，當柱子足夠長的時候，會出現一個又一個小集團。同時，沸點越低的物質，越先掙脫色譜柱的束縛，沸點最低的最先跑到出口，就像跑馬拉松似的。根據它們跑到出口的時間，我們就可以判斷它們是什麼。

將聲表面波晶元裝在色譜柱的出口處，利用冷凝手段把先後跑出來的「小集團」一個一個地吸附在晶元表面，用聲表面波分別「秤」一下。

通過計算「小集團」們分別跑出柱口的時間，我們能夠知道它們的「身份」；緊接著將「小集團」們吸附到聲表面波晶元表面，測量它們引發的聲表面波速度變化值，我們能夠知道它們的「體重」，這樣就完全實現了電子鼻的兩大功能：不但「聞味辨物」，還能告訴你「物」有多少。這個神奇的電子鼻就是聲表面波氣相色譜儀（SAWGC）！

這個神奇的傢伙身材小巧、檢測快速、反應靈敏，被廣泛應用於爆炸物、水污染、有毒害氣體等多領域的檢測，能夠真正做到提起來就跑，到地方就測，為環保、公共安全提供了便捷、高效的檢測手段。2005年松花江水污染事件的現場快速檢測就用到了我們說的這個電子鼻。

隨著我們對電子鼻應用領域的進一步開發，以後將會在越來越多的場合看它大顯身手！

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