Balé no ar: levitação controlada de partículas devido a ondas sonoras

“Ninguém ouvirá seu grito no espaço” - esta famosa frase do igualmente famoso filme “Alien” (1979) literalmente nos diz duas coisas desde o limiar. Em primeiro lugar, é um filme de terror e, em segundo lugar, que no vácuo não se espalha o que muitos de nós se acostumam literalmente desde o nascimento, a saber, o som. As ondas sonoras nos cercam sempre e em toda parte, embora não as vejamos. E se eles pudessem? Mais precisamente, e se o som pudesse ser usado como uma força "telecinética"? Configure o dispositivo, selecione a frequência e voilá - o objeto se move como quiser. Hoje, consideraremos o estudo de uma nova tecnologia chamada pinça acústica holográfica, com a qual os cientistas forçaram as partículas a levitar de acordo com o padrão indicado por elas. Como os cientistas conseguiram produzir Copperfields a partir de micropartículas, qual a eficiência da tecnologia e que tipo de aplicação os cientistas podem ver? Procuraremos respostas para essas e outras perguntas no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base de estudo

Os cientistas comparam sua tecnologia de pinças acústicas holográficas (HAP) com seu primo GOP (uma abreviação de abreviação) - pinças ópticas holográficas. O GOP iniciou sua jornada de sucesso em 1986. Desde então, essa tecnologia está ativamente envolvida na medicina, na pesquisa de DNA e na criação de projeções tridimensionais. Em essência, o GOP permite manipular partículas individuais através de radiação laser. O HAP faz o mesmo, mas usando ondas sonoras (ou melhor, ultra-som) em vez de luz.

As dimensões dos objetos que podem ser feitos para voar como abelhas sob hipnose variam de 1 mícron a 1 cm ou mais, o que é bastante impressionante. No momento, a levitação de partículas pode ser realizada no ar e na água. No entanto, os cientistas também falam sobre a possibilidade de implementar essa tecnologia para trabalhar dentro de objetos biológicos, isto é, dentro do corpo humano, por exemplo. Os pesquisadores estão trabalhando no HAP não por curiosidade ociosa, mas na esperança de criar uma nova ferramenta médica.

Vale ressaltar que o HAP possui uma potência de radiação acústica por unidade de potência de entrada cinco vezes maior que a das pinças ópticas. Assim, o HAP se torna uma excelente opção para trabalhar em dispositivos no nível celular.

Os pesquisadores observam que anteriormente já era possível posicionar as partículas na posição correta devido às ondas sonoras, mas em grupos. Neste estudo, é implementada uma tecnologia que permite mover partículas individuais ao longo de um padrão individual (rota). Um foi enviado para a esquerda, o outro para cima, o terceiro para baixo, etc. O máximo que era anteriormente possível era manipular individualmente apenas duas partículas de água em um espaço bidimensional por meio de anéis emissores em uma câmara microfluídica.

Aqui tudo é implementado um pouco diferente. Os pesquisadores usaram uma matriz faseada ultrassônica * , controlando seu campo irradiado através de um algoritmo.

Matriz em fase ultrassônica * - um dispositivo com o qual você pode alterar a posição do foco ou criar vários truques sem mover a matriz em si.

O algoritmo usado na tecnologia GOP não é adequado para pinças acústicas. Na óptica, basta focar na partícula para capturá-la. Na acústica, no entanto, apenas partículas podem ser capturadas cuja impedância acústica * é menor que a do ambiente. Em outras palavras, as partículas devem ter um "contraste negativo".

Impedância acústica * é a impedância acústica do meio, ou seja, a razão entre a amplitude da pressão sonora e as flutuações na velocidade espacial.

No entanto, a maioria das partículas no ar e na água terá um contraste positivo. Por conseguinte, a captura de partículas devido a ondas sonoras é possível apenas em determinadas seções da onda estacionária (nos nós), em vórtices concentrados * , etc.


Pontos vermelhos marcam os nós da onda estacionária.

Vórtices concentrados * - tubos de vórtice de intensidade extremamente baixa com um diâmetro infinitamente pequeno, próximo ao qual o líquido começa a se mover em círculos em volta deles.

Portanto, os pesquisadores usaram o algoritmo de retropropagação iterativa (IB) para calcular as fases de emissão dos elementos da rede.

E como "pilotos de teste" eram bolas de poliestireno com um diâmetro de 1 a 3 mm.


Demonstração da instalação com partículas no ar (incrivelmente legal, quanto a mim).

Resultados da pesquisa

No início do primeiro teste, as partículas estavam imóveis em uma superfície reflexa. Quando um feixe sonoro focaliza uma partícula localizada em tal superfície, uma onda estacionária local surge com o primeiro nó na posição λ / 4 acima da superfície (imagem nº 1). Isso ocorre devido à interferência entre os campos recebidos e refletidos. Neste local, nas três dimensões, as forças necessárias para capturar a partícula convergem. Para manipular várias partículas ao mesmo tempo, é necessário criar vários focos ao mesmo tempo, o que leva à captura de partículas em locais que surgem acima da refração.


Imagem Nº 1

E aqui precisamos do algoritmo descrito acima, que nos permitirá marcar os pontos de foco da posição da partícula. E as fases de emissão, por sua vez, controlam dinamicamente o movimento do foco, como resultado, e o movimento das partículas.

O uso do algoritmo IB, de acordo com os cientistas, garante que as amplitudes de pressão no foco sejam maximizadas e o desvio entre pontos diferentes seja minimizado. Assim, a distância mínima entre as partículas foi de 1,3 cm (1,5λ), independentemente do número de partículas sendo manipuladas.


Demonstração da manipulação de 10 partículas no ar a uma altura de λ / 4 acima do refletor.

Reduzir a distância entre as partículas leva a uma fusão de foco, o que torna impossível manipular as partículas individualmente.

O nível do sinal de excitação era de 10 Vpp (volts pico a pico) * a 9,5 W de potência de entrada, o que tornava possível manipular simultaneamente 12 partículas individualmente. Se o sinal for aumentado para 16 Vpp, o número de partículas manipuladas será 25.

Vpp (volts pico a pico) * é a voltagem de pico de um sinal, medida do topo da onda até o fundo.

O estudo também mostrou que um aumento no poder não afeta o número máximo possível de partículas manipuladas. Portanto, ao tentar capturar 28 partículas, artefatos indesejados começaram a surgir, cuja força era igual à força dos pontos de captura.


Demonstração da manipulação de 25 partículas.

O HAP também conseguiu ser usado para gerar feixes de vórtice único para capturar e transmitir momentos pulsados ​​orbitais.


Três vórtices independentes de partículas.

O sistema permite gerar vários vórtices com quiralidade independente de uma só vez, usando o algoritmo IB.


Este vídeo mostra três vórtices separados na superfície da água, cuja quiralidade foi alterada pelos cientistas em tempo real.

A distância entre os vórtices era intencionalmente grande para melhor visualizar o processo. No entanto, a distância mínima que os cientistas conseguiram alcançar foi de 1,4 cm (1,6λ) e o número máximo de vórtices simultâneos foi de 5.

Os cientistas também testaram a teoria das armadilhas duplas acústicas, recriando as do sistema (vídeo abaixo). Também foi possível combinar a força da armadilha dupla e do vórtice, no entanto, esse método não permitiu que a partícula levitasse por um longo tempo, uma vez que essa força articular é 30 vezes mais fraca que as forças laterais.


Armadilhas duplas + turbilhões.

O vídeo também mostra que a orientação das quatro partículas é diferente e pode ser alterada girando-se traps duplos. Essa configuração do sistema possibilitou a realização simultânea de 7 armadilhas duplas, cuja distância mínima foi de aproximadamente 1,4λ.

Resta verificar a manipulação tridimensional. Para fazer isso, os cientistas usaram uma grade nos dois lados de duas grades direcionadas de maneira oposta (emissores 16x16), separadas por um espaço de 23 cm (26,7λ), o que permite obter várias ondas estacionárias com nós localizados nas posições desejadas.


Manipulação tridimensional de 12 partículas.



Usando uma pinça holográfica óptica, você pode obter uma manipulação tridimensional de 27 partículas de uma só vez. No caso do HAP, esse número é menor (12 partículas), devido às dimensões da instalação (16x16), discretização espacial e níveis de pressão. No entanto, os cientistas conseguiram alcançar o controle parcial de 25 partículas. Alguns deles "escaparam" da captura, pois sua força aumentou para aumentar a resistência às vibrações de partículas no ar.

Para um conhecimento mais detalhado do estudo (cálculos, operação do algoritmo, métodos), recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

O som não é tão simples quanto parece à primeira vista (uma frase estranha acabou). Muita atenção na comunidade científica é dedicada à óptica e ao estudo de seus componentes, à identificação de novos métodos de aplicação e implementação de certos aspectos ópticos. No entanto, na acústica, existem muitas coisas interessantes que podem não apenas surpreender, mas também ser incrivelmente úteis.

Os próprios cientistas em seu estudo dizem que seu trabalho visa à implementação na medicina. A criação de uma tecnologia capaz de direcionar uma partícula (por exemplo, um medicamento) para uma parte necessária do corpo humano sem intervenção invasiva é a principal tarefa deste estudo. Sem mencionar o fato de que as próprias partículas podem ser incrivelmente pequenas, o que abre novas possibilidades não apenas no tratamento, mas também no estudo de sistemas biológicos complexos.

A nova instalação já mostrou bons resultados. Obviamente, ainda há muito a ser reforçado, aprimorado e aprimorado, mas os primeiros passos já foram dados. Tais trabalhos merecem atenção especial não apenas por sua inclinação e improbabilidade de implementação, mas também pelos objetivos perseguidos pelos cientistas. Quando esses objetivos estão relacionados ao bem-estar humano, a pesquisa e aqueles que a conduzem merecem respeito duplo.

Epílogo 2.0

Meus queridos leitores, hoje vemos (ou melhor, lemos) com você a última vez neste ano. Havia muitos estudos, descobertas, obras e teorias incríveis, surpreendentes e, às vezes, engraçadas. Estou certo de que o próximo ano nos dará ainda mais pesquisas científicas. E isso é bom. A ciência está se desenvolvendo e estamos desenvolvendo junto com ela.

Não importa como você celebra a chegada do ano novo (ou talvez não exista), não se esqueça dos entes queridos, cuide deles, ame e seja amado, permaneça curioso, valorize cada momento, não perca tempo com emoções negativas (as células nervosas se recuperam muito lentamente) e seja são felizes. Vejo vocês no próximo ano, pessoal.



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