हवा में बैले: ध्वनि तरंगों के कारण कण कण नियंत्रित

"अंतरिक्ष में कोई भी आपकी चीख नहीं सुनेगा" - समान रूप से प्रसिद्ध फिल्म "एलियन" (1979) का यह प्रसिद्ध वाक्यांश सचमुच हमें दो चीजों के बारे में बताता है। सबसे पहले, यह एक डरावनी फिल्म है, और दूसरी बात यह है कि एक निर्वात में यह नहीं फैलता है कि हममें से कितने लोगों को सचमुच जन्म से, अर्थात् ध्वनि से आदत है। ध्वनि तरंगें हमें हमेशा और हर जगह घेरती हैं, हालांकि हम उन्हें नहीं देखते हैं। अगर वे कर सके तो क्या होगा? अधिक सटीक रूप से, क्या होगा अगर ध्वनि को "टेलिकैनेटिक" बल के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है? डिवाइस सेट करें, फ़्रीक्वेंसी और वॉयला का चयन करें - जैसा आप चाहते हैं, ऑब्जेक्ट चलता है। आज हम होलोग्राफिक ध्वनिक चिमटी नामक एक नई तकनीक के अध्ययन पर विचार करेंगे, जिसके साथ वैज्ञानिकों ने कणों को उनके द्वारा इंगित पैटर्न के अनुसार उत्तोलन करने के लिए मजबूर किया। वैज्ञानिकों ने माइक्रोपार्टिकल्स से कॉपरफील्ड बनाने का प्रबंधन कैसे किया, तकनीक कितनी कुशल है और इसके लिए वैज्ञानिक किस तरह के आवेदन देख सकते हैं? हम अनुसंधान समूह की रिपोर्ट में इन और अन्य सवालों के जवाब की तलाश करेंगे। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

वैज्ञानिक अपने चचेरे भाई GOP (संक्षिप्त नाम के लिए एक संक्षिप्त नाम) - होलोग्राफिक ऑप्टिकल चिमटी के साथ होलोग्राफिक ध्वनिक चिमटी (एचएपी) की अपनी तकनीक की तुलना करते हैं। GOP ने 1986 में अपनी सफल यात्रा शुरू की। तब से, यह तकनीक सक्रिय रूप से चिकित्सा में, डीएनए अनुसंधान में, और तीन आयामी अनुमानों के निर्माण में सक्रिय रूप से शामिल है। संक्षेप में, जीओपी आपको लेजर विकिरण के माध्यम से व्यक्तिगत कणों में हेरफेर करने की अनुमति देता है। एचएपी वही करता है, लेकिन प्रकाश के बजाय ध्वनि तरंगों (या बल्कि अल्ट्रासाउंड) का उपयोग करता है।

वस्तुओं के आयाम जो सम्मोहन के तहत मधुमक्खियों की तरह उड़ने के लिए बनाए जा सकते हैं, 1 माइक्रोन से 1 सेमी या उससे अधिक तक, जो कि बहुत प्रभावशाली है। फिलहाल, वायु और पानी में कण उत्तोलन को महसूस किया जा सकता है। हालांकि, वैज्ञानिक इस तकनीक को जैविक वस्तुओं के अंदर काम करने की संभावना के बारे में भी बात करते हैं, उदाहरण के लिए, मानव शरीर के अंदर। शोधकर्ता HAP पर निष्क्रिय जिज्ञासा के लिए नहीं, बल्कि एक नया चिकित्सा उपकरण बनाने की आशा में काम कर रहे हैं।

यह ध्यान देने योग्य है कि एचएपी में प्रति यूनिट इनपुट शक्ति एक ध्वनिक विकिरण शक्ति है जो ऑप्टिकल चिमटी की तुलना में अधिक परिमाण के पांच आदेश हैं। इस प्रकार, HAP सेलुलर स्तर पर उपकरणों में काम करने के लिए एक उत्कृष्ट विकल्प बन जाता है।

शोधकर्ताओं ने ध्यान दिया कि पहले ध्वनि तरंगों के कारण कणों को सही स्थिति में लाना संभव था, लेकिन समूहों में। इस अध्ययन में, एक तकनीक लागू की जाती है जो आपको व्यक्तिगत कणों को एक व्यक्तिगत पैटर्न (मार्ग) के साथ स्थानांतरित करने की अनुमति देती है। एक को बाईं ओर, दूसरे को ऊपर, तीसरे को नीचे आदि में भेजा गया। अधिकतम संभव है कि पहले एक microfluidic कक्ष में emitter के छल्ले के माध्यम से दो आयामी अंतरिक्ष में पानी के केवल दो कणों को व्यक्तिगत रूप से हेरफेर करना था।

यहां हर चीज को थोड़ा अलग तरीके से लागू किया जाता है। शोधकर्ताओं ने एक अल्ट्रासोनिक चरणबद्ध सरणी * का उपयोग किया, एक एल्गोरिथ्म के माध्यम से इसके विकिरणित क्षेत्र को नियंत्रित किया।

अल्ट्रासोनिक चरणबद्ध सरणी * - एक उपकरण जिसके साथ आप फ़ोकस की स्थिति को बदल सकते हैं या सरणी को स्थानांतरित नहीं करते हुए कई चालें बना सकते हैं।

GOP प्रौद्योगिकी में उपयोग किया जाने वाला एल्गोरिथ्म ध्वनिक चिमटी के लिए उपयुक्त नहीं है। प्रकाशिकी में, बस इसे पकड़ने के लिए कण पर ध्यान केंद्रित करना पर्याप्त है। ध्वनिकी में, हालांकि, केवल उन कणों को पकड़ा जा सकता है जिनकी ध्वनिक बाधा * पर्यावरण की तुलना में कम है। दूसरे शब्दों में, कणों में "नकारात्मक विपरीत" होना चाहिए।

ध्वनिक प्रतिबाधा * माध्यम का ध्वनिक प्रतिबाधा है, अर्थात अंतरिक्ष के वेग में उतार-चढ़ाव के लिए ध्वनि दबाव के आयाम का अनुपात।

हालांकि, हवा और पानी दोनों में अधिकांश कणों का सकारात्मक विपरीत होगा। तदनुसार, ध्वनि तरंगों के कारण कण कब्जा केवल खड़े तरंग (नोड्स) के कुछ वर्गों में केंद्रित vort * , आदि में संभव है।


लाल डॉट्स खड़ी लहर के नोड्स को चिह्नित करते हैं।

केंद्रित भंवर * - एक छोटे से व्यास के साथ बेहद कम तीव्रता के भंवर ट्यूब, जिसके बगल में तरल उनके चारों ओर हलकों में घूमना शुरू कर देता है।

इसलिए, शोधकर्ताओं ने जाली तत्वों के लिए उत्सर्जन चरणों की गणना करने के लिए पुनरावृत्त बैकप्रोपेगेशन (आईबी) एल्गोरिथ्म का उपयोग किया।

और "टेस्ट पायलट" के रूप में 1 से 3 मिमी के व्यास के साथ पॉलीस्टायर्न की गेंदें थीं।


हवा में कणों के साथ स्थापना का प्रदर्शन (अविश्वसनीय रूप से शांत, मेरे लिए)।

अनुसंधान के परिणाम

पहले परीक्षण की शुरुआत में, कणों को लगातार पलटा सतह पर स्थित किया गया था। जब एक ध्वनि बीम ऐसी सतह पर स्थित एक कण पर केंद्रित होती है, तो सतह के ऊपर λ / 4 स्थिति में पहले नोड के साथ एक स्थानीय खड़ी लहर उठती है (छवि नंबर 1)। यह आने वाले और प्रतिबिंबित क्षेत्रों के बीच हस्तक्षेप के कारण है। इस साइट पर, सभी तीन आयामों में, कण को ​​पकड़ने के लिए आवश्यक बल अभिसरण होते हैं। एक ही समय में कई कणों में हेरफेर करने के लिए, एक बार में कई foci बनाने के लिए आवश्यक है, जो अपवर्तन से उत्पन्न होने वाली साइटों में कणों के कब्जा की ओर जाता है।


चित्र संख्या 1

और यहां हमें ऊपर वर्णित एल्गोरिथ्म की आवश्यकता है, जो हमें कण स्थिति के फोकस बिंदुओं को चिह्नित करने की अनुमति देगा। और उत्सर्जन चरण, बदले में, गतिशील रूप से फ़ोकस की गति, और परिणामस्वरूप कणों की गति को नियंत्रित करता है।

आईबी एल्गोरिथम का उपयोग, वैज्ञानिकों के अनुसार, यह सुनिश्चित करता है कि फ़ोकस पर दबाव के आयाम को अधिकतम किया जाता है, और विभिन्न बिंदुओं के बीच विचलन को कम किया जाता है। इस प्रकार, कणों की संख्या के बीच न्यूनतम दूरी 1.3 सेमी (1.5λ) थी, चाहे कणों की संख्या में हेरफेर हो।


परावर्तक के ऊपर λ / 4 की ऊंचाई पर हवा में 10 कणों के हेरफेर का प्रदर्शन।

कणों के बीच की दूरी को कम करने से ध्यान का एक संलयन होता है, जिससे कणों को व्यक्तिगत रूप से हेरफेर करना असंभव हो जाता है।

उत्तेजना संकेत स्तर इनपुट शक्ति के 9.5 डब्ल्यू पर 10 Vpp (वोल्ट पीक-टू-पीक) * था, जिसने व्यक्तिगत रूप से 12 कणों को एक साथ हेरफेर करना संभव बना दिया। यदि संकेत 16 वीपीपी तक बढ़ा दिया जाता है, तो हेरफेर किए गए कणों की संख्या 25 हो जाएगी।

Vpp (वोल्ट पीक-टू-पीक) * एक सिग्नल का शिखर वोल्टेज है, जिसे तरंग के शीर्ष से उसके तल तक मापा जाता है।

अध्ययन से यह भी पता चला है कि शक्ति में वृद्धि संभव हेरफेर कणों की अधिकतम संख्या को प्रभावित नहीं करती है। इसलिए जब 28 कणों को पकड़ने की कोशिश की गई, तो अवांछित कलाकृतियां पैदा होने लगीं, जिनमें से ताकत कैप्चर पॉइंट की ताकत के बराबर थी।


25 कणों के हेरफेर का प्रदर्शन।

HAP भी कक्षीय स्पंदित क्षणों को कैप्चर करने और प्रसारित करने के लिए एकल-भंवर बीम उत्पन्न करने के लिए उपयोग करने में कामयाब रही।


कणों के तीन स्वतंत्र भंवर।

सिस्टम आईबी एल्गोरिथ्म का उपयोग करते हुए एक बार में स्वतंत्र चिरायता के साथ कई भंवर पैदा करने की अनुमति देता है।


यह वीडियो पानी की सतह पर तीन अलग-अलग भंवरों को दिखाता है, जिनमें से चिरलिटी को वास्तविक समय में वैज्ञानिकों द्वारा बदल दिया गया था।

प्रक्रिया को बेहतर ढंग से देखने के लिए भंवरों के बीच की दूरी जानबूझकर बड़ी थी। हालांकि, वैज्ञानिकों ने न्यूनतम दूरी 1.4 सेंटीमीटर (1.6λ) प्राप्त करने में सक्षम थे, और अधिकतम एक साथ vortices की संख्या 5 थी।

वैज्ञानिकों ने अपने सिस्टम (नीचे वीडियो) में उन लोगों को फिर से बनाकर ध्वनिक डबल ट्रैप के सिद्धांत का भी परीक्षण किया। दोहरे जाल और भंवर के बल को संयोजित करना भी संभव था, हालांकि, इस विधि ने कण को ​​लंबे समय तक उत्तोलन की अनुमति नहीं दी, क्योंकि इस तरह के संयुक्त बल पार्श्व बलों की तुलना में 30 गुना कमजोर है।


दोहरा जाल + भँवर।

वीडियो यह भी दर्शाता है कि सभी चार कणों का अभिविन्यास अलग है, और इसे डबल ट्रैप घुमाकर बदला जा सकता है। सिस्टम के इस विन्यास ने एक साथ 7 डबल ट्रैप को महसूस करना संभव बना दिया, जिसकी न्यूनतम दूरी लगभग 1.4λ थी।

यह त्रि-आयामी हेरफेर को सत्यापित करने के लिए बनी हुई है। ऐसा करने के लिए, वैज्ञानिकों ने 23 सेमी (26.7λ) के स्थान से अलग किए गए दो विपरीत रूप से निर्देशित झंझरी (16x16 उत्सर्जक) के दो तरफा झंझरी का उपयोग किया, जो वांछित पदों में स्थित नोड्स के साथ कई स्थायी तरंगों को प्राप्त करने की अनुमति देता है।


12 कणों का त्रि-आयामी हेरफेर।



होलोग्राफिक ऑप्टिकल चिमटी का उपयोग करके, आप एक बार में 27 कणों के तीन आयामी हेरफेर को प्राप्त कर सकते हैं। एचएपी के मामले में, यह संख्या कम है (12 कण), स्थापना के आयाम (16x16), स्थानिक विवेक और दबाव के स्तर के कारण। हालांकि, वैज्ञानिकों ने 25 कणों पर आंशिक नियंत्रण हासिल करने में कामयाबी हासिल की। उनमें से कुछ पकड़ से बाहर "फिसल गए", क्योंकि हवा में कण कंपन के प्रतिरोध को बढ़ाने के लिए इसकी ताकत बढ़ गई थी।

अध्ययन (गणना, एल्गोरिथ्म के संचालन, विधियों) के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं आपको वैज्ञानिकों और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों की रिपोर्ट को देखने की सलाह देता हूं।

उपसंहार

ध्वनि उतना सरल नहीं है जितना पहली नज़र में लगता है (एक अजीब वाक्यांश निकला)। वैज्ञानिक समुदाय में बहुत ध्यान ऑप्टिक्स और इसके घटकों के अध्ययन, आवेदन के नए तरीकों की पहचान और कुछ ऑप्टिकल पहलुओं के कार्यान्वयन के लिए भुगतान किया जाता है। हालांकि, ध्वनिकी में बहुत सारी दिलचस्प चीजें हैं जो न केवल आश्चर्यचकित कर सकती हैं, बल्कि अविश्वसनीय रूप से उपयोगी भी हो सकती हैं।

वैज्ञानिकों ने अपने अध्ययन में खुद कहा है कि उनका काम चिकित्सा में कार्यान्वयन के उद्देश्य से है। बिना किसी हस्तक्षेप के मानव शरीर के एक आवश्यक हिस्से को एक कण (उदाहरण के लिए, एक दवा) को निर्देशित करने में सक्षम तकनीक का निर्माण इस अध्ययन का मुख्य कार्य है। इस तथ्य का उल्लेख नहीं करने के लिए कि कण खुद अविश्वसनीय रूप से छोटे हो सकते हैं, जो न केवल उपचार में नई संभावनाओं को खोलता है, बल्कि जटिल जैविक प्रणालियों के अध्ययन में भी।

नई स्थापना ने पहले ही अच्छे परिणाम दिखाए हैं। बेशक, बहुत कुछ कसने, सुधारने और सुधारने के लिए शेष है, लेकिन पहले ही कदम उठाए जा चुके हैं। इस तरह के काम न केवल उनकी स्थिरता और कार्यान्वयन की असंभवता के लिए, बल्कि वैज्ञानिकों द्वारा पीछा किए गए लक्ष्यों के लिए भी विशेष ध्यान देने योग्य हैं। जब ये लक्ष्य मानव-कल्याण से संबंधित होते हैं, तो शोध और इसे संचालित करने वाले लोग दोहरे सम्मान के पात्र होते हैं।

उपसंहार २.०

मेरे प्रिय पाठकों, आज हम आपको इस वर्ष के अंतिम समय में (या बल्कि पढ़ते) देखेंगे। बहुत सारे अविश्वसनीय, आश्चर्यजनक और कभी-कभी केवल मजाकिया अध्ययन, खोज, कार्य और सिद्धांत थे। मुझे यकीन है कि अगले साल हमें और भी अधिक वैज्ञानिक शोध मिलेगा। और वह अच्छा है। विज्ञान विकसित हो रहा है, और हम इसके साथ विकसित हो रहे हैं।

कोई फर्क नहीं पड़ता कि आप नए साल के आने का जश्न कैसे मनाते हैं (या शायद बिल्कुल नहीं), प्रियजनों के बारे में मत भूलो, उनका ख्याल रखें, प्यार करें और प्यार करें, हर पल उत्सुक रहें, नकारात्मक भावनाओं पर समय बर्बाद न करें (तंत्रिका कोशिकाएं धीरे-धीरे ठीक हो जाएं और रहें) खुश हैं। अगले साल मिलते हैं दोस्तों



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