科学家抓住了地震中的”破坏大王”，还给它安排了新工作

作者：刘久玲 何世堂（中国科学院声学研究所）

绘图：蔡葛意

什么是声表面波（Surface Acoustic Wave ，简称SAW）？估计大部分人听到这个问题都一脸茫然，有的甚至听都没听过这个名词。但是如果说到地震，大家就熟悉多了，而且马上会联想到很多画面，比如倒塌的房屋，开裂的地面……而造成这些惨状的元凶，就是我们开头提到的声表面波！

地震产生的声表面波携带着巨大能量，沿着地球表面传播，所到之处地动山摇，千疮百孔，给我们带来了惨重的灾难和损失，堪称“破坏大王”。

怎么将这个“恶魔”抓住，并为我们所用？为此科学家们研究了很多年。

声表面波之所以能够造成那么大的破坏，就是因为它携带着巨大的能量。如果我们直接上手抓它，估计还没碰到影儿就已经被它摧毁的房屋埋掉了。要想抓住声表面波，首先必须解决能量问题，让它的能量变小点，再变小点，一直小到能被我们轻易控制。

这个事情说起来容易，做起来可一点儿不轻松。直到20世纪60年代，两个美国科学家 White 和 Voltmer 可算是把这个问题解决了。

科学家在具有压电性能的晶体表面，做上周期性正负相间的金属电极，然后给电极加上很小很小的电信号，就能在晶体表面激发出能被我们控制的声表面波。这个沿着晶体表面传播的声表面波很微弱，弱到人们都无法直观感觉到，如果在它的传播路径上摆放一个周期相同的电极，当声表面波传到这个电极处的时候，科学家就能将它捕获，并转化成方便处理的电信号。

抓住声表面波后，怎么加以利用呢？这家伙用途可就多了，比如做成滤波器用于电视机、手机里面，但我们要跟大家重点介绍的是——电子鼻！

电子鼻，顾名思义，就是一种具有部分鼻子功能的电子产品。人类用鼻子闻一闻气味就能知道是什么物质，而我们用声表面波制作的电子鼻，闻过气味不仅能知道是什么物质，而且还能知道含量有多少！意不意外？惊不惊喜？

这个听起来好像很神奇，但怎样才能通过声表面波实现电子鼻的辨物和称重功能呢？

我们先来说说称重功能。

前面讲过，激发和接收声表面波需要借助压电晶体及其表面制作的周期电极。发射电极用弱电信号激发声表面波，声表面波被激发出来后，就以一定的速度沿晶体表面传播，直到被接收电极捕获。

在压电晶体表面传播的声表面波就像一个自由行走的人，如果在发射电极和接收电极之间的晶体表面再加点东西，比如用冷凝手段将某些物质吸附在晶体表面，那么就像突然给这个人背上了重物，他的行走速度必然受到影响，背得越重，速度越慢。通过测试速度变化，就可以推算出声表面波背上重物的质量。

现在，称重“秤”功能已经实现了，“多少”知道了。但是，“闻味辨物”的本领单靠声表面波就做不到了，那该怎么办呢？。我们需要借助别的手段，比如气相色谱。气相色谱是什么？用来干嘛的？

气相色谱（Gas Chromatography，简称GC）是20世纪50年代出现的一种分离、分析技术。简单地说，我们将混合气体“吸入”到气相色谱的色谱柱里“闻一闻”，在气流带动下，被混合的各种气体按各自的速度沿着柱子跑，速度相同的物质集中在一起，当柱子足够长的时候，会出现一个又一个小集团。同时沸点越低的物质，越先挣脱色谱柱的束缚，沸点最低的最先跑到出口，就像跑马拉松似的。根据它们跑到出口的时间，我们就可以判断它们是什么。

将声表面波芯片装在色谱柱的出口处，利用冷凝手段把先后跑出来的“小集团”一个一个地吸附在芯片表面，用声表面波分别“秤”一下。

通过计算“小集团”们分别跑出柱口的时间，我们能够知道它们的“身份”；紧接着将“小集团”们吸附到声表面波芯片表面，测量它们引发的声表面波速度变化值，我们能够知道它们的“体重”，这样就完全实现了电子鼻的两大功能：不但“闻味辨物”，还能告诉你“物”有多少。这个神奇的电子鼻就是声表面波气相色谱仪（SAWGC）！