«В космосе никто не услышит твоего крика» — эта знаменитая фраза из не менее знаменитого фильма «Чужой» (1979 год) буквально с порога говорит нам о двух вещах. Во-первых, что это фильм ужасов, а во-вторых, что в вакууме не распространяется то, к чему многие из нас привыкают буквально с рождения, а именно звук.

Звуковые волны окружают нас всегда и везде, хоть мы их и не видим. А что если бы могли? Точнее сказать, а что если бы звук можно было использовать как «телекинетическую» силу? Настроил прибор, выбрал частоту и вуаля — объект перемещается так, как вам угодно. Сегодня мы с вами рассмотрим исследование новой технологии под названием голографический акустический пинцет, с помощью которой ученые заставили частицы левитировать по указанному ими паттерну. Как ученым удалось из микрочастиц сделать Копперфильдов, насколько технология работоспособна и какое применение ей видят сами ученые? На эти и другие вопросы будем искать ответы в докладе исследовательской группы.

Основа исследования

Ученые сравнивают свою технологию голографического акустического пинцета (далее ГАП) с ее кузеном ГОП (занятная аббревиатура) — голографический оптический пинцет. ГОП начал свой успешный путь еще в 1986 году. С тех пор эта технология принимает активное участие и в медицине, и в исследовании ДНК, и в создании трехмерных проекций. По сути своей ГОП позволяет манипулировать отдельными частицами посредством лазерного излучения. ГАП же делает то же самое, но используя звуковые волны (точнее ультразвук) вместо света.

Габариты объектов, которые можно заставить летать, словно пчелs под гипнозом, составляет от 1 мкм до 1 см и более, что довольно внушительно. На данный момент левитация частиц может быть реализована в воздухе и в воде. Однако ученые говорят и о возможности реализации данной технологии для работы внутри биологических объектов, то есть внутри тела человека, к примеру. Исследователи работают над ГАП не ради праздного любопытства, а в надежде создать новый инструмент медицинского назначения.

Стоит отметить и то, что у ГАП сила акустического излучения на единицу входящей мощности на пять порядков выше, чем у оптического пинцета. Таким образом ГАП становится отличным вариантом для работы в устройствах на клеточном уровне.

Исследователи отмечают, что ранее уже была реализована возможность позиционировать частицы в нужном положении за счет звуковых волн, но группами. В данном же исследовании реализована технология, позволяющая перемещать отдельные частицы по индивидуальному паттерну (маршруту). Одну отправили налево, другую вверх, третью вниз и т.д. Максимум, что было ранее реально, это манипулировать индивидуально только двумя частицами воды в двумерном пространстве посредством колец эмиттеров в микрофлюидной камере.

Здесь же все реализовано несколько иначе. Исследователи использовали ультразвуковую фазированную решётку*, контролируя ее излучаемое поле посредством алгоритма.

Ультразвуковая фазированная решётка* — устройство, с помощью которого можно менять положение фокуса или создавать несколько фокусов при этом не перемещая саму решетку.

Алгоритм, что используется в ГОП технологии, не подходит для акустического пинцета. В оптике достаточно просто сфокусироваться на частицу для ее захвата. В акустике же захватить можно только частицы, акустический импеданс* которых меньше, чем у окружающей среды. Другими словами у частиц должен быть «отрицательный контраст».

Акустический импеданс* — акустическое сопротивление среды, т.е. отношение амплитуды звукового давления к колебаниям объемной скорости.

Однако большинство частиц как в воздухе, так и в воде будут иметь положительный контраст. Соответственно, захват частиц за счет звуковых волн возможен только в определенных участках стоячей волны (в узлах), в сосредоточенных вихрях* и т.д.

Сосредоточенные вихри* — вихревые трубки крайне малой интенсивности с бесконечно малым диаметром, рядом с которыми жидкость начинает двигаться относительно них по окружностям..[em]

Посему исследователи использовали алгоритм итеративного обратного распространения (IB), чтобы вычислить эмиссионные фазы для элементов решетки. А в качестве «летчиков-испытателей» выступили шарики полистирола диаметром от 1 до 3 мм.

Результаты исследования

В начале первого испытания частицы были неподвижно расположены на рефлекторной поверхности. Когда звуковой луч фокусируется на частице, расположенной на такой поверхности, возникает локальная стоячая волна с первым узлом в положении λ/4 над поверхностью (изображение №1). Это связано с интерференцией между входящим и отраженным полем. В этом узле во всех трех измерениях сходятся силы, необходимые для захвата частицы. Для манипуляций с несколькими частицами одновременно необходимо создавать сразу несколько фокусов, что приводит к захвату частиц в узлах, возникающих выше рефракции.

Изображение №1

И тут нужен вышеописанный алгоритм, который позволит отмечать точки фокусировки положения частиц. А эмиссионные фазы, в свою очередь, динамически управляют передвижением фокуса, как следствие, и передвижением частиц.

Использование IB алгоритма, по словам ученых, гарантирует, что амплитуды давления на фокусе максимизированы, а отклонение между различными точками минимизировано. Таким образом минимальное расстояние между частицами составило 1.3 см (1.5λ), независимо от числа манипулируемых частиц.

Уменьшение расстояния между частицами приводит к слиянию фокусировки, что не дает возможности манипулировать частицами индивидуально.

Уровень сигнала возбуждения составил 10 Vpp (volts peak-to-peak)* при 9.5 Вт входной мощности, что позволило манипулировать одновременно 12 частицами индивидуально. Если же сигнал увеличить до 16 Vpp, то число манипулируемых частиц составит 25. Vpp (volts peak-to-peak)* — это пиковое напряжение сигнала, измеряемое от верхушки волны до ее низа.

Исследование также показало, что увеличение мощности никак не влияет на максимальное число возможных манипулируемых частиц. Так при попытке захвата 28 частиц начали возникать нежелательные артефакты, сила которых была равна силе точек захвата.

ГАП также удалось использовать для генерации одновихревых лучей для захвата и передачи орбитальных импульсных моментов.

Три независимых вихря частиц

Система позволяет генерировать сразу несколько вихрей с независимой хиральностью, используя IB алгоритм. На данном видео видно три отдельных вихря на водной поверхности, хиральность которых изменялась учеными в реальном времени. Расстояние между вихрями намеренно было большим, чтобы лучше рассмотреть процесс. Однако минимальное расстояние, которое смогли получить ученые, составило 1.4 см (1.6λ), а максимальное число одновременных вихрей — 5.

Также ученые проверили теорию акустических двойных ловушек, воссоздав таковые в своей системе (видео ниже). Также удалось соединить силу двойной ловушки и вихрь, однако такой метод не позволил частице долго левитировать, поскольку такая совместная сила в 30 раз слабее латеральных сил.

Также на видео показано, что ориентация всех четырех частиц отличается, и ее можно изменять путем вращения двойных ловушек. Данная конфигурация системы позволила реализовать одновременно 7 двойных ловушек, минимальное расстояние между которыми составило примерно 1.4λ.

Осталось проверить трехмерную манипуляцию. Для этого ученые использовали двухстороннюю решетку из двух противоположно направленных решеток (16х16 эмиттеров), разделенных пространством в 23 см (26.7λ), что позволяет получить несколько стоячих волн с узлами, расположенными в нужных позициях.

Трехмерная манипуляция 12 частиц

Используя голографический оптический пинцет можно достичь трехмерной манипуляции сразу 27 частиц. В случае с ГАП это число меньше (12 частиц), ввиду габаритов установки (16х16), пространственной дискретизации и уровней давления. Однако ученым удалось достичь частичного контроля над 25 частицами. Некоторые из них «выскальзывали» из захвата, поскольку его сила увеличивалась ради повышения сопротивления колебаниям частиц в воздухе.

Для более детального ознакомления с исследованием (расчеты, работа алгоритма, методики) советую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Звук не так прост, как кажется на первый взгляд (странная фраза получилась). Очень много внимания в научном сообществе уделяется оптике и изучению ее составляющих, выявлению новых способов применения и реализации тех или иных оптических аспектов. Однако в акустике не мало своих интересностей, которые могут не только удивить, но и быть невероятно полезными.

Сами ученые в своем исследовании говорят о том, что их труд нацелен на реализацию в медицине. Создание технологии способной направить частицу (например, лекарство) в необходимый участок тела человека не применяя инвазивное вмешательство — вот основная задача сего исследования. Не говоря уже о том, что сами частицы могут быть невероятно малых размеров, что открывает новые возможности не только в лечении, но и в изучении сложных биологических систем.

Новая установка уже показала хорошие результаты. Конечно, многое еще предстоит подкрутить, подправить и усовершенствовать, но первые шаги уже сделаны. Такие труды заслуживают особого внимания не только своей крутостью и невероятностью реализации, но и целями, которые преследуют ученые. Когда эти цели связаны с благополучием человека, исследование и те, кто его проводит, заслуживают двойного уважения.