Ballet en el aire: levitación de partículas controlada debido a las ondas sonoras

"Nadie escuchará tu grito en el espacio": esta famosa frase de la igualmente famosa película "Alien" (1979) literalmente nos dice dos cosas desde el umbral. En primer lugar, que es una película de terror, y en segundo lugar, que en el vacío no se propaga a lo que muchos de nosotros nos acostumbramos literalmente desde el nacimiento, a saber, el sonido. Las ondas sonoras nos rodean siempre y en todas partes, aunque no las vemos. ¿Y si pudieran? Más precisamente, ¿qué pasaría si el sonido pudiera usarse como una fuerza "telequinética"? Configure el dispositivo, seleccione la frecuencia y listo, el objeto se mueve a su gusto. Hoy consideraremos un estudio de una nueva tecnología llamada pinzas acústicas holográficas, con la cual los científicos obligaron a las partículas a levitar de acuerdo con el patrón indicado por ellas. ¿Cómo lograron los científicos hacer Copperfields a partir de micropartículas, qué tan eficiente es la tecnología y qué tipo de aplicación pueden ver los científicos por ella? Buscaremos respuestas a estas y otras preguntas en el informe del grupo de investigación. Vamos

Base de estudio

Los científicos comparan su tecnología de pinzas acústicas holográficas (en adelante HAP) con su primo GOP (abreviatura de abreviatura): pinzas ópticas holográficas. GOP comenzó su exitoso viaje en 1986. Desde entonces, esta tecnología ha participado activamente en la medicina, en la investigación del ADN y en la creación de proyecciones tridimensionales. En esencia, GOP le permite manipular partículas individuales a través de la radiación láser. HAP hace lo mismo, pero usa ondas de sonido (o más bien ultrasonido) en lugar de luz.

Las dimensiones de los objetos que se pueden hacer volar como abejas bajo hipnosis varían de 1 micrón a 1 cm o más, lo cual es bastante impresionante. Por el momento, la levitación de partículas se puede realizar en el aire y en el agua. Sin embargo, los científicos también hablan sobre la posibilidad de implementar esta tecnología para trabajar dentro de objetos biológicos, es decir, dentro del cuerpo humano, por ejemplo. Los investigadores están trabajando en HAP no por curiosidad ociosa, sino con la esperanza de crear una nueva herramienta médica.

Vale la pena señalar que el HAP tiene una potencia de radiación acústica por unidad de potencia de entrada que es cinco órdenes de magnitud más alta que la de las pinzas ópticas. Por lo tanto, HAP se convierte en una excelente opción para trabajar en dispositivos a nivel celular.

Los investigadores señalan que anteriormente ya era posible colocar partículas en la posición correcta debido a las ondas de sonido, pero en grupos. En este estudio, se implementa una tecnología que le permite mover partículas individuales a lo largo de un patrón (ruta) individual. Uno fue enviado a la izquierda, el otro arriba, el tercero abajo, etc. Lo máximo que antes era posible era manipular individualmente solo dos partículas de agua en un espacio bidimensional por medio de anillos emisores en una cámara microfluídica.

Aquí todo se implementa de manera un poco diferente. Los investigadores utilizaron una matriz en fase ultrasónica * , que controla su campo irradiado a través de un algoritmo.

Conjunto de fases por ultrasonidos * : un dispositivo con el que puede cambiar la posición de enfoque o crear varios trucos sin mover el conjunto en sí.

El algoritmo utilizado en la tecnología GOP no es adecuado para pinzas acústicas. En óptica, basta con enfocarse en la partícula para capturarla. Sin embargo, en acústica, solo se pueden capturar partículas cuya impedancia acústica * sea menor que la del entorno. En otras palabras, las partículas deberían tener un "contraste negativo".

La impedancia acústica * es la impedancia acústica del medio, es decir La relación entre la amplitud de la presión del sonido y las fluctuaciones en la velocidad espacial.

Sin embargo, la mayoría de las partículas tanto en el aire como en el agua tendrán un contraste positivo. En consecuencia, la captura de partículas debido a las ondas sonoras solo es posible en ciertas secciones de la onda estacionaria (en nodos), en vórtices concentrados * , etc.


Los puntos rojos marcan los nodos de la onda estacionaria.

Vórtices concentrados * : tubos de vórtice de intensidad extremadamente baja con un diámetro infinitamente pequeño, junto al cual el líquido comienza a moverse alrededor de ellos en círculos.

Por lo tanto, los investigadores utilizaron el algoritmo iterativo de retropropagación (IB) para calcular las fases de emisión de los elementos de la red.

Y como "pilotos de prueba" había bolas de poliestireno con un diámetro de 1 a 3 mm.


Demostración de la instalación con partículas en el aire (increíblemente genial, como para mí).

Resultados de la investigación

Al comienzo de la primera prueba, las partículas se ubicaron inmóviles en la superficie refleja. Cuando un haz de sonido se enfoca en una partícula ubicada en dicha superficie, surge una onda estacionaria local con el primer nodo en la posición λ / 4 sobre la superficie (imagen No. 1). Esto se debe a la interferencia entre los campos entrantes y reflejados. En este sitio, en las tres dimensiones, convergen las fuerzas necesarias para capturar la partícula. Para manipular varias partículas al mismo tiempo, es necesario crear varios focos a la vez, lo que conduce a la captura de partículas en sitios que surgen por encima de la refracción.


Imagen No. 1

Y aquí necesitamos el algoritmo descrito anteriormente, que nos permitirá marcar los puntos de enfoque de la posición de la partícula. Y las fases de emisión, a su vez, controlan dinámicamente el movimiento del foco, como resultado, y el movimiento de las partículas.

El uso del algoritmo IB, según los científicos, asegura que las amplitudes de presión en el foco se maximicen, y la desviación entre diferentes puntos se minimice. Por lo tanto, la distancia mínima entre partículas fue de 1.3 cm (1.5λ), independientemente del número de partículas que se manipulan.


Demostración de la manipulación de 10 partículas en el aire a una altura de λ / 4 por encima del reflector.

La reducción de la distancia entre las partículas conduce a una fusión de enfoque, lo que hace que sea imposible manipular las partículas individualmente.

El nivel de la señal de excitación fue de 10 Vpp (voltios pico a pico) * a 9,5 W de potencia de entrada, lo que permitió manipular simultáneamente 12 partículas individualmente. Si la señal se incrementa a 16 Vpp, entonces el número de partículas manipuladas será de 25.

Vpp (voltios pico a pico) * es el voltaje pico de una señal, medido desde la parte superior de la onda hasta su parte inferior.

El estudio también mostró que un aumento en el poder no afecta el número máximo de posibles partículas manipuladas. Entonces, al tratar de capturar 28 partículas, comenzaron a surgir artefactos no deseados, cuya fuerza era igual a la fuerza de los puntos de captura.


Demostración de la manipulación de 25 partículas.

HAP también logró ser utilizado para generar haces de vórtice único para capturar y transmitir momentos pulsátiles orbitales.


Tres vórtices independientes de partículas.

El sistema permite generar varios vórtices con quiralidad independiente a la vez utilizando el algoritmo IB.


Este video muestra tres vórtices separados en la superficie del agua, cuya quiralidad fue cambiada por los científicos en tiempo real.

La distancia entre los vórtices fue intencionalmente grande para poder ver mejor el proceso. Sin embargo, la distancia mínima que los científicos pudieron obtener fue de 1.4 cm (1.6λ), y el número máximo de vórtices simultáneos fue de 5.

Los científicos también probaron la teoría de las trampas acústicas dobles recreando las de su sistema (video a continuación). También fue posible combinar la fuerza de la trampa doble y el vórtice, sin embargo, este método no permitió que la partícula levitara durante mucho tiempo, ya que dicha fuerza conjunta es 30 veces más débil que las fuerzas laterales.


Trampas dobles + torbellinos.

El video también muestra que la orientación de las cuatro partículas es diferente, y se puede cambiar girando trampas dobles. Esta configuración del sistema hizo posible realizar simultáneamente 7 trampas dobles, la distancia mínima entre las cuales era aproximadamente 1.4λ.

Queda por verificar la manipulación tridimensional. Para hacer esto, los científicos usaron una rejilla de dos lados de dos rejillas opuestas (16x16 emisores) separadas por un espacio de 23 cm (26.7λ), lo que permite obtener varias ondas estacionarias con nodos ubicados en las posiciones deseadas.


Manipulación tridimensional de 12 partículas.



Usando pinzas ópticas holográficas, puede lograr la manipulación tridimensional de 27 partículas a la vez. En el caso de HAP, este número es menor (12 partículas), debido a las dimensiones de la instalación (16x16), la discretización espacial y los niveles de presión. Sin embargo, los científicos lograron lograr un control parcial sobre 25 partículas. Algunos de ellos "se deslizaron" fuera del agarre, ya que su fuerza aumentó para aumentar la resistencia a las vibraciones de partículas en el aire.

Para un conocimiento más detallado del estudio (cálculos, funcionamiento del algoritmo, métodos), le aconsejo que consulte el informe de los científicos y materiales adicionales .

Epílogo

El sonido no es tan simple como parece a primera vista (resultó una frase extraña). Se presta mucha atención en la comunidad científica a la óptica y el estudio de sus componentes, la identificación de nuevos métodos de aplicación e implementación de ciertos aspectos ópticos. Sin embargo, en acústica hay muchas cosas interesantes que no solo pueden sorprender, sino también ser increíblemente útiles.

Los propios científicos en su estudio dicen que su trabajo está dirigido a la implementación en medicina. La creación de una tecnología capaz de dirigir una partícula (por ejemplo, un medicamento) a una parte necesaria del cuerpo humano sin intervención invasiva es la tarea principal de este estudio. Sin mencionar el hecho de que las partículas en sí mismas pueden ser increíblemente pequeñas, lo que abre nuevas posibilidades no solo en el tratamiento, sino también en el estudio de sistemas biológicos complejos.

La nueva instalación ya ha mostrado buenos resultados. Por supuesto, queda mucho por reforzar, mejorar y mejorar, pero los primeros pasos ya se han tomado. Tales trabajos merecen especial atención no solo por su inclinación e improbabilidad de implementación, sino también por los objetivos perseguidos por los científicos. Cuando estos objetivos están relacionados con el bienestar humano, la investigación y quienes la llevan a cabo merecen un doble respeto.

Epílogo 2.0

Mis queridos lectores, hoy vemos (o más bien leemos) con ustedes la última vez este año. Hubo muchos estudios, descubrimientos, trabajos y teorías increíbles, sorprendentes y, a veces, simplemente divertidos. Estoy seguro de que el próximo año nos dará aún más investigación científica. Y eso está bien. La ciencia se está desarrollando, y nosotros nos estamos desarrollando junto con ella.

No importa cómo celebres la llegada del año nuevo (o tal vez no lo hagas en absoluto), no te olvides de los seres queridos, cuídalos, ama y sé amado, sigue siendo curioso, valora cada momento, no pierdas el tiempo en emociones negativas (las células nerviosas se recuperan muy lentamente) y sé son felices Nos vemos el año que viene chicos.



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