Die Technologie der
akustischen Pinzette ist seit 1986 bekannt. Es basiert auf dem Phänomen der
akustischen Levitation und hebt mithilfe von Ultraschallwellen Objekte einige Millimeter in die Luft. Bis vor kurzem konnten Wissenschaftler nur eine Plastikkugel manipulieren. Jetzt ist es möglich, viele Objekte gleichzeitig zu schweben und ihre Bewegung separat zu steuern. Auf Habré gab es
einen Artikel, der den Prinzipien der Technologiearbeit gewidmet ist. Wir werden über sein Potenzial und seine Analoga sprechen.
Foto Morgan / CC BYKurz darüber, was Technologie ist
Forscher der Navarre People's University in Spanien und der University of Bristol in Großbritannien
haben eine Installation in Form einer Art „Box“ geschaffen, die sich über und unter den Arrays von Ultraschallstrahlern befindet. Insgesamt verwendet das System 512 Lautsprecher mit einem Durchmesser von weniger als einem Zentimeter, die Wellen mit einer Frequenz von 40 kHz aussenden.
Mit Hilfe spezieller Reflektoren können Ingenieure sogenannte
Stehwellen bilden . Sie haben die gleiche Amplitude und Frequenz, unterscheiden sich jedoch in der Phase. So werden zwischen den Schallwellen "leere" gleich große Abschnitte ohne
Schalldruck gebildet , die Objekte in der Luft halten. Diese Gegenstände können entweder Plastikstücke oder Flüssigkeitstropfen sein. Die Bewegung einzelner Objekte unabhängig voneinander erfolgt aufgrund einer Änderung der Phase stehender Wellen. Dafür ist ein spezieller Algorithmus verantwortlich, der auf der
Back-Propagation- Methode basiert. Die Autoren der Technologie
vergleichen sie mit Fingern, die Objekte innerhalb des Feldes erfassen und bewegen. Mit 512 Lautsprechern konnten die Forscher 12 Schaumkugeln steuern.
Was ist das Potenzial
Laut den Autoren kann die akustische Levitation („akustische Pinzette“) eine andere Technologie ersetzen - die „
optische Pinzette “, für deren Entdeckung 2018 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde. Optische Pinzetten verwenden einen Laserstrahl, um mikroskopische Objekte (Moleküle und Partikel) zu bewegen.
Dieser Ansatz hat jedoch einen Nachteil: Er ist
teuer und ein Laser kann bei Kontakt Zellen oder lebende Organismen schädigen. Akustische Pinzetten weisen diese Mängel nicht auf. Daher wird vorgeschlagen, es in der Medizin und in der biologischen Forschung zu verwenden. Beispielsweise helfen akustische Pinzetten, Arzneimittelmoleküle auf den gewünschten Bereich des Körpers des Patienten zu lenken oder mikrochirurgische Operationen durchzuführen.
Eine weitere mögliche
Anwendung ist die Erstellung von 3D-Anzeigen und Hologrammen aus
Voxeln oder dreidimensionalen Pixeln. Bestehende Lösungen zur Erzeugung von 3D-Projektionen basieren auf den Phänomenen der Lichtreflexion, weshalb solche Hologramme nur in einem bestimmten Winkel sichtbar sind. Ultraschall hilft dabei, dreidimensionale Bilder aus Materialpartikeln zu erzeugen, ohne die Betrachtungswinkel der „Bildschirme“ zu beeinträchtigen.
Es wird auch vorgeschlagen, dass akustische Pinzetten bei der Herstellung von Mikroelektronik verwendet werden. Mit Hilfe von Ultraschall können Sie kleine Partikel bewegen und die Erstellung von Geräten automatisieren, die bis dahin nur von Hand gesammelt wurden.
Bisher kann die Technologie nur in der Luft funktionieren, aber in Zukunft planen die Autoren, die Fähigkeiten von akustischen Pinzetten in einer Flüssigkeit zu bewerten.
Ähnliche Entwicklungen
Es gibt mehrere andere Entwicklungen, die auf dem Prinzip der akustischen Levitation beruhen. Das erste davon ist das "flüssige Siegel",
das in Harvard hergestellt wurde.
Die Erfindung ist ein Drucker mit einer speziellen Düse, in die ein Stehwellengenerator integriert ist. Schall bildet Flüssigkeitströpfchen gleicher vorgegebener Größe und bringt sie auf das Substrat auf. Es wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung in Pharmazeutika, bei der Herstellung optischer Materialien und in anderen Bereichen verwendet wird, in denen die genaue Dosierung einer Substanz wichtig ist.
Ein weiteres Projekt wurde von Ingenieuren der National Autonomous University of Mexico vorgestellt. Ihre Installation
verwendet akustische Levitation zusammen mit
Laser-Funken-Emissionsspektrometrie , um Schwermetalle in Wasser zu erfassen.
Die Testsubstanz wird mit einem Laser bestrahlt und in einen
Plasmazustand überführt . Durch Messung der spektralen Strahlung eines Plasmas kann die Konzentration einzelner Elemente darin bestimmt werden. An der Universität von Mexiko wurde akustische Levitation verwendet, um einen Wassertropfen in einer Position zu halten. Dies ermöglicht genauere und qualitativ hochwertigere Analyseergebnisse.
Foto Gaetano Virgallito / CC BY-NDDie Entscheidung der Entwickler ermöglichte auch die Durchführung von Forschungsarbeiten außerhalb des ausgestatteten Labors mit tragbaren Spektrometern. Dies wird bei der Untersuchung der Wasserzusammensetzung in Regionen mit schlechten Umweltbedingungen hilfreich sein, da Analysen häufiger durchgeführt werden können.
Die dritte Lösung deutscher Wissenschaftler
verwendet die akustische Levitation, um ein Ultraschallfeld einer bestimmten Form zu erzeugen. Auf diese Weise können Sie physikalische Partikel in der gewünschten Reihenfolge aufbauen. Es wird erwartet, dass das System in der Medizin Anwendung findet - es wird dazu beitragen, die Ultraschallbehandlung zu verbessern, beispielsweise um beschädigte Muskeln aufgrund der gerichteten Wirkung des Feldes effektiver wiederherzustellen.
Im Allgemeinen ist das Potenzial der akustischen Levitation enorm. Es kann sowohl in der Produktion
zum Beispiel zum Bewegen heißer Gegenstände als auch in der Medizin eingesetzt werden - zur Durchführung präziser Operationen. In naher Zukunft können wir erwarten, dass neue Wege zur Anwendung der Technologie vorgeschlagen werden.
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