Только без рук: манипулируем с помощью ультразвука

Инженеры из Сингапура придумали устройство, которое с помощью ультразвука может манипулировать микроскопическими частицами. Indicator.Ru разбирался, для чего нужен ультразвук, в чем преимущество смолы перед стеклом, и какую роль в изобретении сыграл 3D-принтер.

Ультразвук – это звуковые волны, частота которых настолько велика, что человеческое ухо не может их слышать. Ультразвук превосходит звуковые колебания по способам его практического применения. Благодаря ему онкологи могут обнаружить раковые клетки и уничтожить их с помощью высокоэнергетического фокусированного ультразвука (HIFU), а акушеры могут наблюдать за ростом ребенка в утробе матери. Исследователи повсеместно проверяют тот или иной материал ультразвуком, чтобы выяснить, какими свойствами тот обладает. Но на этом возможности ультразвуковых волн не заканчиваются.

Ученые напечатали на 3D-принтере особое устройство, которое способно использовать высокое давление, создаваемое ультразвуком, для перемещения, манипуляции и уничтожения мелких частиц – например, капель или клеток. Обеспечение контроля над фотоакустическими волнами (звуковыми волнами, возникающими под воздействием оптического излучения, в данном случае сгенерированными лазером) может помочь для выполнения операций с высокой точностью, а также для проведения экспериментов — например, в области микрофлюидики – науки, описывающей поведение малых объемов и потоков жидкостей. С подробным описанием устройства можно ознакомиться в журнале Applied Physics Letters.

«Преимуществом акустического воздействия является его неинвазивный характер, то есть, мы не вторгаемся в исследуемый объект, – прокомментировал Клаус-Дитер Оль из Наньянского технологического университета в Сингапуре. – Теперь мы можем лучше контролировать фотоакустическую волну, и сконструировать ее таким образом, чтобы она стала своеобразным механическим приводом».

Возможность управлять ультразвуком имеет ключевое значение. Устройства, которые были созданы ранее, способны создавать только основные виды звуковых волн – плоские волны, сфокусированные в одной точке,по аналогии со световыми волнами, сфокусированными увеличительным стеклом.

Такие устройства могут преобразовывать лазерные импульсы в ультразвуковые колебания. Основная деталь преобразователя представляет собой стеклянную поверхность, которая функционирует как линза. Лазерные лучи ударяются об эту поверхность, покрытую тонкой пленкой из углеродных нанотрубок. Под влиянием тепла покрытие начинает быстро расширяться и генерировать вибрации, необходимые для производства высокочастотных ультразвуковых волн, и, как следствие, высокого давления. Основная сложность заключается в форме стеклянной подложки: она может быть плоской, цилиндрической или сферической. Изготовить стекло другой формы может быть слишком дорого или трудно.

Преобразователь, придуманный сингапурскими учеными, тоже превращает лазерное излучение в ультразвук. Однако вместо стеклянной линзы они решили использовать другой материал – прозрачную жидкую смолу, которой придали необходимую форму на 3D-принтере. Этот подход позволил исследователям сфокусировать волны в нескольких точках одновременно или поочередно, а также следить за фазой волн. В ходе работы инженеры также разработали новый метод покрытия подложки из смолы – они наносили слои полимерных и углеродных нанотрубок при комнатной температуре. При создании ранних версий преобразователя использовался метод нанесения покрытия осаждением из паровой фазы, которая требует высоких температур. Такой способ не подходит для изделий из смолы – она попросту растает.

Проверка двухсантиметрового преобразователя показала, что во время его работы формируются и плоские, и сфокусированные волны, а функционирует он не хуже стеклянного, при том, что изготовление детали стоит всего два доллара.

«Наше устройство позволит использовать акустические явления в принципиально новых областях», – дополнил Оль. Точность фокусировки – вплоть до сотен микрометров – позволяет использовать прибор в хирургии, например, при борьбе со злокачественными опухолями или удалении катаракты. Медики и биологи смогут применять ультразвуковые волны для измерения упругих свойствклеток и микроорганизмов, культивируемых в чашке Петри.