Glasagtig skal af mikroskopiske alger inspirerer bittesmå ultralydsdetektorer til medicinsk billeddannelse

Et tværfagligt team af forskere fra Skoltech har opdaget resonansfrekvenserne af kiselalgerfrustler. Disse indviklet strukturerede siliciumdioxidskaller af encellede mikroalger udgør en lovende model for naturinspirerede elektroniske og optiske enheder, såsom bittesmå ultralydsdetektorer til avanceret medicinsk billeddannelse og komponenter til ultrahurtig signalbehandling i fremtidens mikrochips.

Det vil dog kræve en bedre forståelse af kiselalger-frustlens egenskaber, før disse spændende applikationer kan ske, og den nylige undersøgelse i Applied Physics Letters er et vigtigt skridt i den retning.

Kiselalger, der tegner sig for omkring en femtedel af Jordens iltforsyning og en fjerdedel af planetens biomasse, er en hovedbestanddel af plankton og en allestedsnærværende livsform, der findes i verdenshavene, vandveje og jordbund.

Kiselalgernes evolutionære succes – med deres hårde og lette skaller lavet af siliciumdioxid og markeret med indviklede hulmønstre – har fået forskere til at studere deres egenskaber og struktur og udnytte dem i en række materialer og forbrugsgoder, lige fra slibemidler til polering af metal og tandpasta til vandrensningsanlæg og kattegrus. Nu venter techier-applikationer på deres tur.

"Denne undersøgelse kombinerer computersimuleringer med et eksperiment," kommenterede papirets hovedforfatter, Skoltech Research Scientist Julijana Cvjetinovic. "Simuleringerne gjorde det muligt for os at forudsige resonansfrekvenserne for kiselalger inden for intervallet 1-8 MHz, og vi brugte et atomkraftmikroskop til at levere den første eksperimentelle validering af disse frekvenser nogensinde." Målingerne blev udført af Skoltech Senior Research Scientist Sergey Luchkin.

At kende resonansfrekvenserne for disse mikroskopiske strukturer er afgørende for at udnytte deres design, optimeret af naturen, i små enheder, der kombinerer bevægelige dele med optik (fotoniske integrerede kredsløb eller PIC'er) eller med elektronik (mikroelektromekaniske systemer, også kendt som MEMS-enheder):mikrofonerne i bærbare enheder, tryksensorerne i bildæk, accelerometrene i virtual reality gear, højttalerne til in-ear høreapparater, sensorerne i hjertet af flynavigationssystemer osv.

"I sådanne enheder kan strukturer, der emulerer kiselalgerskaller, bruges som primære komponenter, og i denne henseende er vores resultater særligt relevante for designet af mikrofoner og andre vibrationsbaserede sensorer," sagde Cvjetinovic. "Men udover det kunne de fungere som vibrationsdæmpere. Du kan se, i enheder, der opererer i så lille skala, kan selv forholdsvis små vibrationer påvirke ydeevnen negativt. Og strukturer, der efterligner kiselalgerfrustler, kunne afbøde det."

Studiets co-principal investigator, Skoltech Professor Dmitry Gorin, som leder Skoltechs Biophotonics Lab, zoomede ind på en af ​​de potentielle anvendelser i mikrofoner:"Vores laboratorium forfølger en avanceret medicinsk diagnostisk teknik kaldet optoakustik, som involverer spændende ultralydsvibrationer i visse objekter. —blodceller, kapillærer, kar osv. — i kroppen med termisk deformation induceret af en laserpuls og derefter lokalisering af deres placeringer via meget følsomme ultralydsdetektorer."

"Det er en præcis og røntgenfri billeddannelsesteknik, der kunne drage fordel af PIC-baserede ultralydsdetektorer med membraner, der emulerer kiselalgerskaller."

Tidligere foreslog Skoltech-forskere en optoakustisk endoskopisk sonde til mikrokirurgi og medicinsk diagnostik. De tog også et scanningelektronmikroskop i brug i et krævende eksperiment, der afslørede, hvordan de statiske og dynamiske mekaniske egenskaber ved kiselalgerfrustler er relateret til deres struktur.

Denne viden informerede computersimuleringen i det nylige papir i Applied Physics Letters , hvilket også ville have været umuligt uden det banebrydende teoretiske arbejde med kiselalgerresonansfrekvensberegning af Skoltech-professor Alexander Korsunsky, som også var co-principal investigator på den nye undersøgelse.

Mulighederne for at fortsætte denne undersøgelseslinje omfatter ifølge holdet udvikling af kunstige kiselalger-inspirerede strukturer og undersøgelse af deres integration i PIC-baserede ultralydsdetektorer som meget følsomme membraner.

Flere oplysninger: Julijana Cvjetinovic et al., Undersøgelse af vibrationsegenmodes i diatomefrustler via kombineret i silico-beregningsundersøgelse og atomkraftmikroskopi, Anvendt fysikbreve (2023). DOI:10.1063/5.0171503

Journaloplysninger: Anvendt fysikbreve

Leveret af Skolkovo Institute of Science and Technology