الباليه في الهواء: يتم التحكم في ارتفاع الجسيمات بسبب الموجات الصوتية

"لا أحد سوف يسمع صوتك في الفضاء" - هذه العبارة الشهيرة من الفيلم الشهير "Alien" (1979) تخبرنا حرفيًا بأمرين من العتبة. أولاً ، إنه فيلم رعب ، وثانياً ، في الفراغ لا ينشر ما يعتاد عليه الكثيرون منا منذ الولادة ، أي الصوت. إن الموجات الصوتية تحيط بنا دائمًا وفي كل مكان ، على الرغم من أننا لا نراها. ماذا لو استطاعوا؟ بتعبير أدق ، ماذا لو كان الصوت يمكن استخدامه كقوة "تحريك تخاطب"؟ قم بإعداد الجهاز وحدد التردد وفويلا - يتحرك الكائن كما تريد. سننظر اليوم في دراسة لتكنولوجيا جديدة تسمى الملقط الصوتي المجسم ، والتي أجبر العلماء الجزيئات على رفعها وفقًا للنمط الذي أشاروا إليه. كيف تمكن العلماء من تصنيع حقول النحاس من جسيمات دقيقة ، وما مدى كفاءة التقنية ونوع التطبيق الذي يمكن للعلماء رؤيته؟ سنبحث عن إجابات لهذه الأسئلة وغيرها في تقرير مجموعة البحث. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

يقارن العلماء تقنيتهم ​​الخاصة بالملاقط الصوتية الثلاثية الأبعاد (المشار إليها فيما يلي باسم HAP) مع ابن عمها GOP (اختصار للاختصار) - الملقط البصري المجسم. بدأت GOP رحلتها الناجحة في عام 1986. منذ ذلك الحين ، شاركت هذه التكنولوجيا بنشاط في الطب ، وفي أبحاث الحمض النووي ، وفي إنشاء توقعات ثلاثية الأبعاد. في جوهرها ، يسمح لك GOP بمعالجة الجزيئات الفردية من خلال إشعاع الليزر. HAP يفعل الشيء نفسه ، ولكن باستخدام الموجات الصوتية (أو بالأحرى الموجات فوق الصوتية) بدلاً من الضوء.

تتراوح أبعاد الأشياء التي يمكن صنعها للطيران مثل النحل تحت التنويم المغناطيسي من 1 ميكرون إلى 1 سم أو أكثر ، وهو أمر مثير للإعجاب إلى حد كبير. في الوقت الحالي ، يمكن تحقيق ارتفاع الجسيمات في الهواء والماء. ومع ذلك ، فإن العلماء يتحدثون أيضًا عن إمكانية تطبيق هذه التكنولوجيا للعمل داخل الكائنات البيولوجية ، أي داخل جسم الإنسان ، على سبيل المثال. يعمل الباحثون على HAP ليس من أجل فضول الخمول ، ولكن على أمل إنشاء أداة طبية جديدة.

تجدر الإشارة إلى أن HAP لديه طاقة إشعاع صوتية لكل وحدة إدخال طاقة أعلى بخمس مرات من تلك الموجودة في الملقط البصري. وبالتالي ، يصبح HAP خيارًا ممتازًا للعمل في الأجهزة على المستوى الخلوي.

لاحظ الباحثون أنه في السابق كان من الممكن بالفعل وضع الجزيئات في الموضع الصحيح بسبب الموجات الصوتية ، ولكن في مجموعات. في هذه الدراسة ، تم تطبيق تقنية تتيح لك تحريك الجزيئات الفردية عبر نمط فردي (مسار). تم إرسال واحد إلى اليسار ، والآخر للأعلى ، والثالث لأسفل ، إلخ. كان الحد الأقصى الذي كان ممكنًا في السابق هو معالجة جزيئات الماء بشكل فردي فقط في مساحة ثنائية الأبعاد عن طريق حلقات الباعث في غرفة ميكروفلويديك.

هنا يتم تنفيذ كل شيء بشكل مختلف قليلا. استخدم الباحثون صفيفًا مرحليًا بالموجات فوق الصوتية * ، للتحكم في مجاله المشع من خلال خوارزمية.

المصفوفة المطورة بالموجات فوق الصوتية * - جهاز يمكنك من خلاله تغيير موضع التركيز أو إنشاء العديد من الحيل أثناء عدم تحريك المصفوفة نفسها.

الخوارزمية المستخدمة في تكنولوجيا GOP ليست مناسبة للملاقط الصوتية. في مجال البصريات ، يكفي التركيز على الجسيمات لالتقاطها. ومع ذلك ، في الصوتيات ، لا يمكن التقاط سوى الجزيئات التي تكون مقاومتها الصوتية أقل من البيئة. بمعنى آخر ، يجب أن يكون للجسيمات "تباين سلبي".

المعاوقة الصوتية * هي المعاوقة الصوتية للمتوسط ​​، أي نسبة سعة ضغط الصوت إلى التقلبات في سرعة الفضاء.

ومع ذلك ، فإن معظم الجسيمات في الهواء والماء سيكون لها تباين إيجابي. وفقًا لذلك ، لا يمكن التقاط الجسيمات بسبب الموجات الصوتية إلا في أجزاء معينة من الموجة الدائمة (في العقد) ، في الدوامات المركزة * ، إلخ.


تشير النقاط الحمراء إلى عقد الموجة الدائمة.

الدوامات المركزة * - أنابيب دوامة ذات كثافة منخفضة للغاية بقطر صغير بلا حدود ، يبدأ بجانبه السائل في التحرك حولها في دوائر.

لذلك ، استخدم الباحثون خوارزمية backpropagation (IB) التكرارية لحساب مراحل الانبعاثات لعناصر الشبكة.

وكما "الطيارين اختبار" كانت كرات البوليسترين التي يبلغ قطرها 1 إلى 3 ملم.


مظاهرة التثبيت مع جزيئات في الهواء (بارد بشكل لا يصدق ، بالنسبة لي).

نتائج البحوث

في بداية الاختبار الأول ، كانت الجزيئات موجودة بلا حراك على سطح المنعكس. عندما تركز حزمة الصوت على جسيم موجود على مثل هذا السطح ، تنشأ موجة دائمة محلية مع العقدة الأولى في موضع λ / 4 فوق السطح (الصورة رقم 1). هذا بسبب التداخل بين الحقول الواردة والمنعكسة. في هذا الموقع ، في جميع الأبعاد الثلاثة ، تتلاقى القوى اللازمة لالتقاط الجسيمات. لمعالجة عدة جسيمات في نفس الوقت ، من الضروري إنشاء بؤر متعددة في وقت واحد ، مما يؤدي إلى التقاط الجزيئات في المواقع الناشئة فوق الانكسار.


الصورة رقم 1

وهنا نحتاج إلى الخوارزمية الموصوفة أعلاه ، والتي سوف تسمح لنا بتحديد نقاط التركيز في موضع الجسيمات. ومراحل الانبعاثات ، بدورها ، تتحكم ديناميكيًا في حركة التركيز ، كنتيجة لذلك ، وحركة الجزيئات.

وفقًا للعلماء ، فإن استخدام خوارزمية البكالوريا المميتة (IB) ، يضمن زيادة سعات الضغط عند التركيز إلى الحد الأقصى ، وتقليل الانحراف بين النقاط المختلفة. وبالتالي ، كان الحد الأدنى للمسافة بين الجزيئات 1.3 سم (1.5λ) ، بغض النظر عن عدد الجسيمات التي يتم معالجتها.


مظاهرة لمعالجة 10 جسيمات في الهواء على ارتفاع λ / 4 فوق العاكس.

يؤدي تقليل المسافة بين الجزيئات إلى اندماج التركيز ، مما يجعل من المستحيل معالجة الجزيئات بشكل فردي.

كان مستوى إشارة الإثارة 10 فولت في الثانية (فولت من الذروة إلى الذروة) * عند 9.5 واط من مدخلات الطاقة ، مما جعل من الممكن في وقت واحد معالجة 12 جزيئات على حدة. إذا تم زيادة الإشارة إلى 16 Vpp ، فسيكون عدد الجسيمات المعالجة 25.

Vpp (فولت الذروة إلى الذروة) * هو الجهد الذروة للإشارة ، تقاس من أعلى الموجة إلى قاعها.

وأظهرت الدراسة أيضًا أن الزيادة في الطاقة لا تؤثر على الحد الأقصى لعدد الجسيمات المعالجة. لذلك عند محاولة التقاط 28 جسيمًا ، بدأت القطع الأثرية غير المرغوب فيها في الظهور ، وكانت قوتها مساوية لقوة نقاط الالتقاط.


مظاهرة التلاعب من 25 الجسيمات.

تمكنت HAP أيضًا من استخدامها لإنشاء حزم دوامة أحادية لالتقاط ونقل لحظات النبض المدارية.


ثلاثة دوامات مستقلة من الجسيمات.

يسمح النظام بتوليد العديد من الدوامات مع chirality مستقلة في وقت واحد باستخدام خوارزمية IB.


يُظهر هذا الفيديو ثلاثة دوامات منفصلة على سطح الماء ، والتي تم تغييرها من قبل العلماء في الوقت الفعلي.

كانت المسافة بين الدوامات كبيرة عمدا من أجل رؤية أفضل للعملية. ومع ذلك ، كان الحد الأدنى للمسافة التي تمكن العلماء من الحصول عليها 1.4 سم (1.6 درجة) ، والحد الأقصى لعدد الدوامات المتزامنة كان 5.

اختبر العلماء أيضًا نظرية المصائد المزدوجة الصوتية من خلال إعادة إنشاء تلك الموجودة في نظامهم (فيديو أدناه). كان من الممكن أيضًا الجمع بين قوة المصيدة المزدوجة والدوامة ، ولكن هذه الطريقة لم تسمح للجزيء بالارتفاع لفترة طويلة ، لأن هذه القوة المشتركة أضعف بمقدار 30 مرة من القوات الجانبية.


الفخاخ مزدوجة + زوبعة.

يظهر الفيديو أيضًا أن اتجاه جميع الجسيمات الأربعة مختلف ، ويمكن تغييره عن طريق تدوير الفخاخ المزدوجة. جعل هذا التكوين للنظام من الممكن في الوقت نفسه تحقيق 7 مصائد مزدوجة ، وكان الحد الأدنى للمسافة بينهما 1.4 درجة تقريبًا.

يبقى للتحقق من التلاعب ثلاثي الأبعاد. للقيام بذلك ، استخدم العلماء مقضب على الوجهين لحواجز شبكية موجهة بعكس اتجاه (بواعث 16 × 16) مفصولة بمسافة 23 سم (26.7 درجة) ، مما يسمح للمرء بالحصول على عدة موجات دائمة مع العقد الموجودة في المواقع المطلوبة.


التلاعب ثلاثي الأبعاد من 12 الجسيمات.



باستخدام الملقط البصري المجسم ، يمكنك تحقيق التلاعب ثلاثي الأبعاد من 27 الجسيمات في وقت واحد. في حالة HAP ، يكون هذا الرقم أقل (12 جسيمًا) ، نظرًا لأبعاد التثبيت (16 × 16) ، والتقدير المكاني ، ومستويات الضغط. ومع ذلك ، تمكن العلماء من تحقيق السيطرة الجزئية على 25 الجسيمات. بعضهم "انزلق" من قبضة ، كما زادت قوتها من أجل زيادة مقاومة الاهتزازات الجسيمات في الهواء.

للحصول على معرفة أكثر تفصيلاً مع الدراسة (العمليات الحسابية ، تشغيل الخوارزمية ، الطرق) ، أنصحك أن تنظر في تقرير العلماء والمواد الإضافية إليها.

خاتمة

الصوت ليس بهذه البساطة كما يبدو للوهلة الأولى (تحولت عبارة غريبة). يتم إيلاء اهتمام كبير في الأوساط العلمية للبصريات ودراسة مكوناتها ، وتحديد طرق جديدة لتطبيق وتنفيذ جوانب بصرية معينة. ومع ذلك ، في الصوتيات هناك الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام التي لا يمكن مفاجأة فقط ، ولكن أيضا أن تكون مفيدة بشكل لا يصدق.

يقول العلماء أنفسهم في دراستهم أن عملهم يهدف إلى التنفيذ في الطب. المهمة الرئيسية لهذه الدراسة هي إنشاء تقنية قادرة على توجيه جسيم (على سبيل المثال ، دواء) إلى جزء ضروري من جسم الإنسان دون تدخل جراحي. ناهيك عن حقيقة أن الجزيئات نفسها يمكن أن تكون صغيرة بشكل لا يصدق ، مما يفتح إمكانيات جديدة ليس فقط في العلاج ، ولكن أيضًا في دراسة النظم البيولوجية المعقدة.

لقد أظهر التثبيت الجديد بالفعل نتائج جيدة. بالطبع ، ما زال هناك الكثير مما يجب تشديده وتحسينه وتحسينه ، لكن الخطوات الأولى قد اتخذت بالفعل. تستحق مثل هذه الأعمال اهتمامًا خاصًا ليس فقط من حيث شدتها وعدم قابليتها للتنفيذ ، ولكن أيضًا للأهداف التي يسعى العلماء إلى تحقيقها. عندما تكون هذه الأهداف مرتبطة برفاهية الإنسان ، فإن الأبحاث وأولئك الذين يقومون بها يستحقون الاحترام المزدوج.

الحلقة 2.0

أيها القراء الأعزاء ، نرى اليوم (أو بالأحرى نقرأ) معك آخر مرة هذا العام. كان هناك الكثير من الدراسات والاكتشافات والأعمال والنظريات المذهلة والمدهشة ، وأحياناً المضحكة. أنا متأكد من أن العام المقبل سوف يقدم لنا المزيد من البحث العلمي. وهذا جيد. العلم يتطور ، ونحن نتطور معه.

بغض النظر عن كيف تحتفل بقدوم العام الجديد (أو ربما لا تفعل ذلك على الإطلاق) ، لا تنسى عن أحبائك ، تعتني بهم ، تحبهم وتحبهم ، تبقوا فضوليين ، تقدرين كل لحظة ، لا تضيعوا الوقت في العواطف السلبية (الخلايا العصبية تتعافى ببطء شديد) وكن سعداء أراك الرجال العام المقبل.



شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى 1 يناير مجانًا إذا تم الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟