Ballet dans l'air: lévitation contrôlée des particules due aux ondes sonores

"Personne n'entendra votre cri dans l'espace" - cette phrase célèbre du tout aussi célèbre film "Alien" (1979) littéralement du seuil nous parle de deux choses. Premièrement, que c'est un film d'horreur, et deuxièmement, que dans le vide ne se propage pas ce à quoi beaucoup d'entre nous s'habituent littéralement depuis la naissance, à savoir le son. Les ondes sonores nous entourent toujours et partout, bien que nous ne les voyions pas. Et s'ils le pouvaient? Plus précisément, que se passerait-il si le son pouvait être utilisé comme une force "télékinétique"? Configurez l'appareil, sélectionnez la fréquence et le tour est joué - l'objet se déplace comme vous le souhaitez. Aujourd'hui, nous considérerons l'étude d'une nouvelle technologie appelée pince à épiler acoustique holographique, avec laquelle les scientifiques ont forcé les particules à léviter selon le modèle indiqué par elles. Comment les scientifiques ont-ils réussi à fabriquer des Copperfields à partir de microparticules, quelle est l'efficacité de la technologie et quel type d'application les scientifiques peuvent-ils y voir? Nous chercherons des réponses à ces questions et à d'autres dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base d'étude

Les scientifiques comparent leur technologie de pince à épiler acoustique holographique (HAP) à son cousin GOP (une abréviation d'abréviation) - une pince à épiler optique holographique. GOP a commencé son voyage réussi en 1986. Depuis lors, cette technologie a été activement impliquée dans la médecine, dans la recherche sur l'ADN et dans la création de projections tridimensionnelles. En substance, GOP vous permet de manipuler des particules individuelles par rayonnement laser. HAP fait de même, mais en utilisant des ondes sonores (ou plutôt des ultrasons) au lieu de la lumière.

Les dimensions des objets pouvant voler comme des abeilles sous hypnose varient de 1 micron à 1 cm ou plus, ce qui est assez impressionnant. À l'heure actuelle, la lévitation des particules peut être réalisée dans l'air et dans l'eau. Cependant, les scientifiques évoquent également la possibilité de mettre en œuvre cette technologie pour travailler à l'intérieur d'objets biologiques, c'est-à-dire à l'intérieur du corps humain par exemple. Les chercheurs travaillent sur le HAP non par simple curiosité, mais dans l'espoir de créer un nouvel outil médical.

Il convient de noter que le HAP a une puissance de rayonnement acoustique par unité de puissance d'entrée supérieure de cinq ordres de grandeur à celle des pincettes optiques. Ainsi, HAP devient une excellente option pour travailler dans des appareils au niveau cellulaire.

Les chercheurs notent qu'auparavant, il était déjà possible de positionner les particules dans la bonne position en raison des ondes sonores, mais en groupe. Dans cette étude, une technologie est mise en œuvre qui vous permet de déplacer des particules individuelles le long d'un modèle individuel (route). L'un a été envoyé à gauche, l'autre vers le haut, le troisième vers le bas, etc. Le maximum qui était auparavant possible était de manipuler individuellement seulement deux particules d'eau dans un espace bidimensionnel au moyen d'anneaux émetteurs dans une chambre microfluidique.

Ici, tout est mis en œuvre un peu différemment. Les chercheurs ont utilisé un réseau ultrasonore phasé * , contrôlant son champ rayonné via un algorithme.

Array ultrason phased * - un appareil avec lequel vous pouvez changer la position de la mise au point ou créer plusieurs astuces sans déplacer la matrice elle-même.

L'algorithme utilisé dans la technologie GOP n'est pas adapté aux pincettes acoustiques. En optique, il suffit de se concentrer sur la particule pour la capturer. En acoustique, cependant, seules les particules dont l'impédance acoustique * est inférieure à celle de l'environnement peuvent être capturées. En d'autres termes, les particules doivent avoir un "contraste négatif".

L'impédance acoustique * est l'impédance acoustique du milieu, c'est-à-dire le rapport de l'amplitude de la pression acoustique aux fluctuations de la vitesse spatiale.

Cependant, la plupart des particules dans l'air et dans l'eau auront un contraste positif. Par conséquent, la capture de particules due aux ondes sonores n'est possible que dans certaines sections de l'onde stationnaire (dans les nœuds), dans des tourbillons concentrés * , etc.


Des points rouges marquent les nœuds de l'onde stationnaire.

Vortex concentrés * - tubes vortex d'intensité extrêmement faible avec un diamètre infiniment petit, à côté desquels le liquide commence à se déplacer en cercle autour d'eux.

Par conséquent, les chercheurs ont utilisé l'algorithme de rétropropagation itérative (IB) pour calculer les phases d'émission des éléments de réseau.

Et comme "pilotes d'essai", il y avait des billes de polystyrène d'un diamètre de 1 à 3 mm.


Démonstration de l'installation avec des particules dans l'air (incroyablement cool, comme pour moi).

Résultats de recherche

Au début du premier test, les particules étaient immobiles sur la surface réflexe. Lorsqu'un faisceau sonore se concentre sur une particule située sur une telle surface, une onde stationnaire locale apparaît avec le premier nœud en position λ / 4 au-dessus de la surface (image n ° 1). Cela est dû aux interférences entre les champs entrants et réfléchis. Sur ce site, dans les trois dimensions, les forces nécessaires pour capturer la particule convergent. Pour manipuler plusieurs particules en même temps, il est nécessaire de créer plusieurs foyers à la fois, ce qui conduit à la capture de particules dans des sites surgissant au-dessus de la réfraction.


Image n ° 1

Et ici, nous avons besoin de l'algorithme décrit ci-dessus, qui nous permettra de marquer les points focaux de la position des particules. Et les phases d'émission, à leur tour, contrôlent dynamiquement le mouvement du foyer, en conséquence, et le mouvement des particules.

Selon les scientifiques, l'utilisation de l'algorithme IB garantit que les amplitudes de pression au foyer sont maximisées et que l'écart entre les différents points est minimisé. Ainsi, la distance minimale entre les particules était de 1,3 cm (1,5λ), quel que soit le nombre de particules manipulées.


Démonstration de la manipulation de 10 particules dans l'air à une hauteur de λ / 4 au-dessus du réflecteur.

La réduction de la distance entre les particules entraîne une fusion de la focalisation, ce qui rend impossible la manipulation individuelle des particules.

Le niveau du signal d'excitation était de 10 Vpp (volts crête à crête) * à 9,5 W de puissance d'entrée, ce qui a permis de manipuler simultanément 12 particules individuellement. Si le signal est augmenté à 16 Vpp, le nombre de particules manipulées sera alors de 25.

Vpp (volts crête à crête) * est la tension de crête d'un signal, mesurée du haut de l'onde au bas.

L'étude a également montré qu'une augmentation de la puissance n'affecte pas le nombre maximum de particules manipulées possibles. Ainsi, lors de la tentative de capture de 28 particules, des artefacts indésirables ont commencé à apparaître, dont la force était égale à la force des points de capture.


Démonstration de la manipulation de 25 particules.

HAP a également réussi à être utilisé pour générer des faisceaux à vortex unique pour capturer et transmettre des moments pulsés orbitaux.


Trois tourbillons indépendants de particules.

Le système permet de générer simultanément plusieurs tourbillons avec chiralité indépendante à l'aide de l'algorithme IB.


Cette vidéo montre trois tourbillons distincts à la surface de l'eau, dont la chiralité a été modifiée par les scientifiques en temps réel.

La distance entre les tourbillons était intentionnellement grande afin de mieux visualiser le processus. Cependant, la distance minimale que les scientifiques ont pu atteindre était de 1,4 cm (1,6λ), et le nombre maximal de tourbillons simultanés était de 5.

Les scientifiques ont également testé la théorie des doubles pièges acoustiques en recréant ceux de leur système (vidéo ci-dessous). Il était également possible de combiner la force du double piège et du vortex, cependant, cette méthode n'a pas permis à la particule de léviter pendant longtemps, car une telle force articulaire est 30 fois plus faible que les forces latérales.


Pièges doubles + tourbillons.

La vidéo montre également que l'orientation des quatre particules est différente et qu'elle peut être modifiée en faisant pivoter les doubles pièges. Cette configuration du système a permis de réaliser simultanément 7 doubles pièges dont la distance minimale était d'environ 1,4λ.

Reste à vérifier la manipulation tridimensionnelle. Pour ce faire, les scientifiques ont utilisé un réseau bilatéral de deux réseaux dirigés de façon opposée (émetteurs 16x16) séparés par un espace de 23 cm (26,7λ), ce qui permet d'obtenir plusieurs ondes stationnaires avec des nœuds situés dans les positions souhaitées.


Manipulation tridimensionnelle de 12 particules.



En utilisant des pincettes optiques holographiques, vous pouvez réaliser une manipulation tridimensionnelle de 27 particules à la fois. Dans le cas du HAP, ce nombre est inférieur (12 particules), en raison des dimensions de l'installation (16x16), de la discrétisation spatiale et des niveaux de pression. Cependant, les scientifiques ont réussi à obtenir un contrôle partiel sur 25 particules. Certains d'entre eux ont «glissé» hors de la poignée, à mesure que sa force augmentait afin d'augmenter la résistance aux vibrations des particules dans l'air.

Pour une connaissance plus détaillée de l'étude (calculs, fonctionnement de l'algorithme, méthodes), je vous conseille de consulter le rapport des scientifiques et les supports complémentaires .

Épilogue

Le son n'est pas aussi simple qu'il y paraît à première vue (une phrase étrange s'est avérée). Une grande attention dans la communauté scientifique est accordée à l'optique et à l'étude de ses composants, à l'identification de nouvelles méthodes d'application et à la mise en œuvre de certains aspects optiques. Cependant, en acoustique, il y a beaucoup de choses intéressantes qui peuvent non seulement surprendre, mais aussi être incroyablement utiles.

Les scientifiques eux-mêmes dans leur étude disent que leur travail vise à la mise en œuvre en médecine. La création d'une technologie capable de diriger une particule (par exemple, un médicament) vers une partie nécessaire du corps humain sans intervention invasive est la tâche principale de cette étude. Sans parler du fait que les particules elles-mêmes peuvent être incroyablement petites, ce qui ouvre de nouvelles possibilités non seulement pour le traitement, mais aussi pour l'étude de systèmes biologiques complexes.

La nouvelle installation a déjà donné de bons résultats. Bien sûr, beaucoup reste à resserrer, à améliorer et à améliorer, mais les premières étapes ont déjà été franchies. Ces travaux méritent une attention particulière non seulement pour leur raideur et leur improbabilité de mise en œuvre, mais aussi pour les objectifs poursuivis par les scientifiques. Lorsque ces objectifs sont liés au bien-être humain, la recherche et ceux qui la mènent méritent un double respect.

Epilogue 2.0

Mes chers lecteurs, nous voyons (ou plutôt lisons) avec vous la dernière fois cette année. Il y avait beaucoup d'études, de découvertes, d'ouvrages et de théories incroyables, incroyables et parfois juste drôles. Je suis sûr que l'année prochaine nous donnera encore plus de recherches scientifiques. Et c'est bien. La science se développe et nous évoluons avec elle.

Peu importe comment vous célébrez la nouvelle année (ou peut-être pas du tout), n'oubliez pas les êtres chers, prenez soin d'eux, aimez et soyez aimés, restez curieux, appréciez chaque instant, ne perdez pas de temps sur les émotions négatives (les cellules nerveuses récupèrent très lentement) et soyez sont heureux. À l'année prochaine.



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