Shadow waveguide kaster komplekse akustiske mønstre for at kontrollere partikler

Ingeniører ved Duke University har udtænkt en ny tilgang til at bruge lydbølger til at manipulere små partikler suspenderet i væske på komplekse måder. Kaldt en "skyggebølgeleder, "teknikken bruger kun to lydkilder til at skabe en tæt afgrænset, rumligt komplekst akustisk felt inde i et kammer uden at kræve nogen indvendig struktur. Teknologien tilbyder en ny række funktioner til den hurtigt udviklende platform af akustiske pincet, der har applikationer inden for områder som kemisk reaktionskontrol, mikro-robotik, levering af medicin, og celle- og vævsteknik.

Forskningen vises online 18. august i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Akustiske pincet er en ny teknologi, der bruger lydbølger til at manipulere små partikler suspenderet i væske. Fordi ingen fysisk genstand rører partiklerne, teknikken er skånsom, tilbyder ingen problemer med biokompatibilitet og kræver ingen etiketter, gør det til et lokkende valg til at arbejde med sarte biomolekyler.

På det biomedicinske område, akustisk pincet kan fange, rotere og flytte partikler eller organismer til inspektion, sortering eller andre applikationer. De kan holde visse reagenser og kemikalier adskilt, før de kan blandes i præcise mængder for at kontrollere reaktioner. Teknologien giver også mulighed for at mønstre forskellige materialer, før du bruger en række teknikker til at fikse dem på plads for at skabe nye typer materialer.

På trods af alt dets potentiale, teknologien har sine begrænsninger. De fleste nuværende opsætninger bruger flere lydkilder placeret rundt om et væskefyldt kammer, der skaber et skakternet mønster af områder, der kan fange og flytte partikler i låsetrin med hinanden. Dette gør det vanskeligt at manipulere partikler uafhængigt af hinanden eller gennem komplekse mønstre. Sidstnævnte kan opnås ved at inkludere solide kanalstrukturer i kammeret, men dette kan beskadige sarte partikler og begrænse, hvor hurtigt prøver kan flyttes gennem systemet.

For at overvinde disse begrænsninger, Steve Cummer, William H. Younger Distinguished Professor of Engineering ved Duke, vendt til ideer inspireret af metamaterialer. Metamaterialer er syntetiske materialer sammensat af mange individuelle konstruerede funktioner, som tilsammen producerer egenskaber, der ikke findes i naturen.

"Vi ønskede at injicere akustisk bølgeenergi ind i kammeret og bruge en struktur lige uden for kammeret til at styre formen af ​​lydbølgerne inde, "sagde Cummer." Resultatet er lidt som en optisk fiber til lyd, der former lydudbredelsen og bevidst lækker noget af sin energi ind i kammeret - en slags lydskygge - for at styre partiklerne inde med virtuelle kanaler. "

I det nye blad, Cummer og Junfei Li, en postdoktor, der arbejder i sit laboratorium, i samarbejde med mangeårige akustiske pincet-innovator Tony Huang, William Bevan, fremtrædende professor i teknik ved Duke, demonstrere forskellige muligheder for deres skyggebølgeledertilgang. Hver skyggebølgeleder er skabt ved at 3D-printe en form med funktioner, der er specifikke for, hvordan partikler inde i kammeret skal kontrolleres. En type silikone kaldet polydimethylsiloxan (PDMS) hældes i hver halvrørsform med funktioner, der skaber kanaler i det færdige produkt.

PDMS har akustiske egenskaber meget lig vand, som gør det muligt for lydbølger nemt at bevæge sig fra skyggebølgelederen ind i kammeret. Mønstret af de luftfyldte kanaler i PDMS dikterer, hvor og hvordan lydbølgerne kommer ind i kammeret, giver forskerne mulighed for at skabe en bred vifte af komplekse akustiske felter til at kontrollere partikler.

Cummer og Li bruger denne opsætning til at fange og flytte individuelle mikropartikler langs flere komplekse veje gennem kammeret. Og ved at opsætte to lydkilder - en i hver ende af skyggebølgelederen - viser forskerne, at de kan pumpe partikler langs en langsomt bøjet bue med præcist kontrolleret hastighed.

Med denne demonstration i hånden, forskerne søger nu at tilføje kompleksitet til deres opfindelse, enten ved at gøre bølgelederne dynamisk rekonfigurerbare eller ved at fusionere dem med andre eksisterende tilgange til akustisk pincet.

"Akustiske enheder er meget svære at gøre rekonfigurerbare, men vi ville elske at finde ud af en måde at gøre det muligt på, fordi det ville være en dramatisk forbedring af denne tekniks anvendelighed, " sagde Li. "For nu, vi leder efter specifikke udfordringer, som vi kunne tilpasse disse skyggebølgeledere til at løse for at flytte den fra en proof-of-concept-demonstration til en mere sofistikeret applikation. "

"Vejen til anvendelse kan være at fusionere dette med flere koncepter på området, "tilføjede Cummer." Tilføjelse af flere lydkilder og strukturer for at skabe mere kompleksitet kan være det, der skubber os ud over kanten i nogle applikationer. "