Ballett in der Luft: kontrolliertes Schweben von Partikeln durch Schallwellen

Published on December 28, 2018

Ballett in der Luft: kontrolliertes Schweben von Partikeln durch Schallwellen



    „Im Weltraum wird niemand Ihren Schrei hören“ - dieser berühmte Satz aus dem gleichermaßen berühmten Film „Alien“ (1979) sagt uns von Anfang an zwei Dinge buchstäblich. Erstens, dass dies ein Horrorfilm ist, und zweitens, dass das, woran viele von uns von Geburt an gewöhnt sind, nämlich der Klang, nicht im luftleeren Raum angewendet wird. Schallwellen umgeben uns immer und überall, auch wenn wir sie nicht sehen. Was wäre, wenn sie könnten? Was wäre, wenn der Schall als "telekinetische" Kraft eingesetzt werden könnte? Ich richte das Gerät ein, wählte die Frequenz und voila - das Objekt bewegt sich, wie Sie möchten. Heute werden wir uns eine Studie über eine neue Technologie ansehen, die als holographische akustische Pinzette bezeichnet wird und mit der Wissenschaftler Partikel gezwungen haben, nach dem von ihnen angegebenen Muster zu schweben. Wie Wissenschaftler Copperfield aus Mikropartikeln herstellen konnten, Wie effizient ist die Technologie und welchen Nutzen sehen Wissenschaftler dafür? Diese und weitere Fragen werden im Bericht der Forschungsgruppe beantwortet. Lass uns gehen.

    Grundlagen der Forschung

    Wissenschaftler vergleichen ihre Technologie der holographischen akustischen Pinzette (im Folgenden als HAP bezeichnet) mit ihrer Cousine GOP (einem amüsanten Akronym) - der holographischen optischen Pinzette. GOP begann seine erfolgreiche Reise 1986. Seitdem befasst sich diese Technologie aktiv mit der Medizin, der DNA-Forschung und der Erstellung dreidimensionaler Projektionen. Im Wesentlichen können Sie mit GOP einzelne Partikel mittels Laserstrahlung manipulieren. GAP tut dasselbe, verwendet jedoch Schallwellen (oder genauer Ultraschall) anstelle von Licht.

    Die Abmessungen von Objekten, die unter Hypnose wie Bienen fliegen können, liegen zwischen 1 Mikrometer und 1 cm oder mehr, was sehr beeindruckend ist. Momentan kann das Schweben von Partikeln in Luft und in Wasser durchgeführt werden. Wissenschaftler sprechen jedoch von der Möglichkeit, diese Technologie in biologischen Objekten, also beispielsweise im menschlichen Körper, zu implementieren. Die Forscher arbeiten an HAP nicht aus Neugier, sondern in der Hoffnung, ein neues medizinisches Instrument zu entwickeln.

    Es ist anzumerken, dass der HAP eine akustische Leistung pro Einheit der ankommenden Leistung hat, die fünf Größenordnungen höher ist als die der optischen Pinzette. Somit wird HAP zu einer ausgezeichneten Option für die Arbeit in Geräten auf zellularer Ebene.

    Die Forscher stellen fest, dass es bisher bereits möglich war, die Partikel aufgrund von Schallwellen, aber in Gruppen, an die gewünschte Position zu bringen. In dieser Studie wurde eine Technologie implementiert, die es ermöglicht, einzelne Partikel entlang eines individuellen Musters (Route) zu bewegen. Einer wurde nach links geschickt, der andere nach oben, der dritte nach unten und so weiter. Bisher war es maximal möglich, nur zwei Wasserteilchen in einem zweidimensionalen Raum mit Hilfe von Emitterringen in einer Mikrofluidikkammer einzeln zu manipulieren.

    Hier ist alles etwas anders umgesetzt. Die Forscher verwendeten ein Ultraschall-Phased-Array * , das sein Strahlungsfeld mithilfe eines Algorithmus steuert.
    Ultraschall-Phased-Array * - ein Gerät, mit dem Sie die Position des Fokus ändern oder mehrere Foki erstellen können, ohne das Gitter selbst zu bewegen.
    Der in der GOP-Technologie verwendete Algorithmus ist nicht für akustische Pinzetten geeignet. Konzentrieren Sie sich in der Optik einfach auf das Partikel, um es einzufangen. In der Akustik können nur Partikel eingefangen werden, deren akustische Impedanz * kleiner als die der Umgebung ist. Mit anderen Worten, die Partikel müssen einen „negativen Kontrast“ haben.
    Die akustische Impedanz * ist die akustische Impedanz des Mediums, d.h. das Verhältnis der Amplitude des Schalldrucks zu den Schwingungen der Raumgeschwindigkeit.
    Die meisten Partikel in Luft und Wasser haben jedoch einen positiven Kontrast. Das Einfangen von Partikeln aufgrund von Schallwellen ist dementsprechend nur in bestimmten Teilen der stehenden Welle (in Knoten), in konzentrierten Wirbeln * usw. möglich.


    Die roten Punkte markieren die Knoten der stehenden Welle.
    Konzentrierte Wirbel * - Wirbelröhrchen mit extrem geringer Intensität und unendlich kleinem Durchmesser, neben denen sich die Flüssigkeit im Kreis zu bewegen beginnt.
    Daher verwendeten die Forscher einen iterativen Back-Propagation (IB) -Algorithmus, um die Emissionsphasen für die Elemente des Gitters zu berechnen.

    Und als "Testpiloten" fertigten sie Styroporkugeln mit einem Durchmesser von 1 bis 3 mm.


    Demonstration der Installation mit Partikeln in der Luft (unglaublich cool, wie für mich).

    Untersuchungsergebnisse

    Zu Beginn des ersten Versuchs befanden sich die Partikel noch auf der Reflexfläche. Wenn der Schallstrahl auf ein Partikel fokussiert wird, das sich auf einer solchen Oberfläche befindet, entsteht eine lokale stehende Welle, wobei sich der erste Knoten in der λ / 4-Position über der Oberfläche befindet (Bild Nr. 1). Dies ist auf die Interferenz zwischen dem ankommenden und dem reflektierten Feld zurückzuführen. In diesem Knoten laufen in allen drei Dimensionen die Kräfte zusammen, die zum Einfangen eines Teilchens erforderlich sind. Bei Manipulationen mit mehreren Partikeln müssen gleichzeitig mehrere Foki erzeugt werden, was zum Einfangen von Partikeln in den über der Brechung entstehenden Knoten führt.


    Bild Nummer 1

    Und hier brauchen wir den obigen Algorithmus, der die Fokuspunkte der Position der Partikel markiert. Und die Emissionsphasen wiederum steuern dynamisch die Bewegung des Fokus und damit die Bewegung der Partikel.

    Laut Wissenschaftlern stellt der IB-Algorithmus sicher, dass die Druckamplituden im Fokus maximiert und die Abweichung zwischen verschiedenen Punkten minimiert werden. Somit betrug der Mindestabstand zwischen den Partikeln 1,3 cm (1,5 λ), unabhängig von der Anzahl der zu manipulierenden Partikel.


    Demonstration der Manipulation von 10 Partikeln in der Luft in einer Höhe von λ / 4 über dem Reflektor.

    Die Verringerung des Abstands zwischen den Partikeln führt zu einer Verschmelzung des Fokus, was es unmöglich macht, die Partikel einzeln zu manipulieren.

    Der Erregungssignalpegel betrug 10 Vpp (Volt Spitze-Spitze) * bei einer Eingangsleistung von 9,5 W, wodurch 12 Partikel gleichzeitig einzeln manipuliert werden konnten. Wenn das Signal auf 16 Vpp erhöht wird, beträgt die Anzahl der zu manipulierenden Partikel 25.
    Vpp (Volt Spitze-Spitze) * ist die Spitzenspannung eines Signals, gemessen von der Spitze der Welle bis zu ihrem Grund.


    Die Studie zeigte auch, dass die Erhöhung der Leistung die maximale Anzahl möglicher manipulierter Partikel nicht beeinflusst. Beim Versuch, 28 Partikel einzufangen, traten unerwünschte Artefakte auf, deren Stärke der Stärke der Einfangpunkte entsprach.


    Demonstration der Manipulation von 25 Partikeln.

    Mit dem HAP konnten auch Einzelwirbelstrahlen zur Erfassung und Übertragung von orbitalen Impulsmomenten erzeugt werden.


    Drei unabhängige Partikelwirbel.

    Das System ermöglicht die gleichzeitige Erzeugung mehrerer Wirbelwinde mit unabhängiger Chiralität unter Verwendung des IB-Algorithmus.


    Dieses Video zeigt drei separate Wirbel auf der Wasseroberfläche, deren Chiralität von Wissenschaftlern in Echtzeit geändert wurde.

    Der Abstand zwischen den Wirbeln war bewusst groß, um den Prozess besser betrachten zu können. Der minimale Abstand, den die Wissenschaftler erreichen konnten, betrug 1,4 cm (1,6 λ), und die maximale Anzahl gleichzeitiger Wirbel betrug 5.

    Außerdem testeten die Wissenschaftler die Theorie der akustischen Doppelfallen und stellten diese in ihrem System wieder her (Video unten). Es war auch möglich, die Kraft einer Doppelfalle und eines Wirbelwinds zu kombinieren, aber diese Methode erlaubte es dem Partikel nicht, lange Zeit zu schweben, da eine solche Gelenkkraft 30-mal schwächer ist als die Seitenkräfte.


    Doppelte Fallen + Wirbelwinde.

    Das Video zeigt auch, dass die Ausrichtung aller vier Partikel unterschiedlich ist und durch Drehen von Doppelfallen geändert werden kann. Diese Systemkonfiguration ermöglichte die gleichzeitige Implementierung von 7 Doppelfallen, deren Mindestabstand ungefähr 1,4 λ betrug.

    Es bleibt die dreidimensionale Manipulation zu überprüfen. Dazu verwendeten die Wissenschaftler ein doppelseitiges Gitter aus zwei entgegengesetzt gerichteten Gittern (16x16 Emitter), die durch einen Abstand von 23 cm (26,7 λ) voneinander getrennt sind, wodurch mehrere stehende Wellen mit Knoten an den gewünschten Positionen erhalten werden können.


    Dreidimensionale Manipulation von 12 Partikeln.



    Mit einer holografischen optischen Pinzette können 27 Partikel gleichzeitig dreidimensional manipuliert werden. Bei HAP ist diese Anzahl aufgrund der Größe der Installation (16 x 16), der räumlichen Diskretisierung und des Druckniveaus geringer (12 Partikel). Den Wissenschaftlern gelang es jedoch, 25 Partikel teilweise zu kontrollieren. Einige von ihnen "rutschten" aus dem Griff, als seine Kraft zunahm, um den Widerstand der Schwingungen von Partikeln in der Luft zu erhöhen.

    Für detailliertere Informationen über die Studie (Berechnungen, Arbeitsweise des Algorithmus, Methoden) empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und weitere Materialien dazu zu lesen.

    Nachwort

    Der Klang ist nicht so einfach, wie es auf den ersten Blick scheint (ein seltsamer Satz kam heraus). In der wissenschaftlichen Gemeinschaft wird der Optik und dem Studium ihrer Komponenten, der Identifizierung neuer Anwendungsmethoden und der Umsetzung bestimmter optischer Aspekte viel Aufmerksamkeit gewidmet. In der Akustik gibt es jedoch viele interessante Dinge, die nicht nur überraschen, sondern auch unglaublich nützlich sein können.

    Wissenschaftler selbst in ihrer Studie sagen, dass ihre Arbeit auf die Umsetzung in der Medizin abzielt. Die Hauptaufgabe dieser Forschung besteht darin, eine Technologie zu entwickeln, mit der ein Partikel (z. B. ein Medikament) ohne invasive Eingriffe auf einen notwendigen Teil des menschlichen Körpers gelenkt werden kann. Ganz zu schweigen von der Tatsache, dass die Partikel selbst unglaublich klein sein können, was nicht nur bei der Behandlung, sondern auch bei der Untersuchung komplexer biologischer Systeme neue Möglichkeiten eröffnet.

    Die Neuinstallation hat bereits gute Ergebnisse gezeigt. Natürlich gibt es noch viel zu tun, um zu optimieren, zu optimieren und zu verbessern, aber die ersten Schritte wurden bereits unternommen. Solche Arbeiten verdienen nicht nur wegen ihrer Coolness und Unwahrscheinlichkeit der Realisierung besondere Aufmerksamkeit, sondern auch wegen der von Wissenschaftlern verfolgten Ziele. Wenn diese Ziele mit dem Wohlergehen des Menschen zusammenhängen, verdienen die Studie und diejenigen, die sie durchführen, doppelten Respekt.

    Epilog 2.0

    Liebe Leserinnen und Leser, heute sehen wir uns das letzte Mal in diesem Jahr. Viele waren unglaublich, erstaunlich und machten manchmal nur Spaß an Recherchen, Entdeckungen, Arbeiten und Theorien. Ich bin mir sicher, dass wir nächstes Jahr mehr wissenschaftliche Forschung betreiben werden. Und das ist gut. Die Wissenschaft entwickelt sich und wir entwickeln uns mit ihr.

    Egal wie Sie die Ankunft des neuen Jahres feiern (oder vielleicht gar nichts), vergessen Sie nicht Ihre Lieben, kümmern Sie sich um sie, lieben Sie und werden Sie geliebt, bleiben Sie neugierig, schätzen Sie jeden Moment, verschwenden Sie keine Zeit mit negativen Emotionen (Nervenzellen erholen sich sehr langsam) und seien Sie glücklich Bis zum nächsten Jahr, Leute.

    Und denke nicht, dass ich den Freitag und jetzt auch das neue Jahr vergessen habe:

    Obwohl dies eine Werbung ist, ist das Video selbst unglaublich schön und sehr berührend. Und das Motto ist richtig - "Mehr geben."


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