Ученые из Германии разработали первое в мире «нано-ухо», способное улавливать звуковые колебания на микроскопических масштабах длины. По приблизительным оценкам чувствительность нового прибора на 6 порядков ниже порога восприятия человеческого слуха. В основе устройства лежит наночастица золота, зафиксированная при помощи оптической ловушки. Изобретатели «нано-уха» утверждают, что оно может использоваться, чтобы «слушать» микроорганизмы, а также исследовать движение и вибрации крошечных машин.

Наночастицы могут быть зафиксированы в пространстве при помощи устройства, получившего название «оптический пинцет». Оно представляет собой лазерный луч, сфокусированный на определенной точке пространства. В частице, попадающей в такой луч, индуцируется дипольный электрический момент, ориентирующийся в соответствии с областью наиболее интенсивного излучения в лазерном луче. Техника была предложена еще в 1980-х годах и на сегодняшний день используется в лабораторных исследованиях по всему миру. Она оказалась особенно полезной для работы с биологическими объектами, т.к. для них оптическое поле ловушки является неразрушающим.

Теперь же команда из Ludwig-Maximilians University (Германия) показала, что

частицы, зафиксированные при помощи оптической ловушки, могут использоваться в качестве чрезвычайно чувствительного детектора звука.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters. В рамках своих исследований ученые показали, что захваченные таким образом частицы могут из состояния покоя начать колебательный процесс под действием проходящих в непосредственной близости от них звуковых волн. При этом частоту проходящих звуковых волн можно вычислить, опираясь на знание о том, сколько частиц было захвачено в оптическую ловушку.

Экспериментальная установка немецких ученых состояла из двух источников звука, размещенных в водной среде. Первый (громкий) источник представлял собой наконечник вольфрамовой иглы, размещенной на мембране динамика и вибрирующей с частотой 300 Гц. Второй (более слабый) источник звука состоял из групп золотых наночастиц, периодически нагреваемых вторым лазером для создания звуковых волн с частотой 20 Гц. При этом экспериментальное «нано ухо» представляло собой наночастицу золота диаметром 60 нм, захваченную при помощи лазерного луча с длиной волны 808 нм.

Эксперимент показал, что, когда один из источников звука включен, наночастица золота в ловушке начинает колебаться под действием звуковой волны с соответствующей частотой. Для отслеживания этого движения исследователи использовали видеокамеры. Благодаря анализу записанного видео, они получили возможность оценить чувствительность детектора звука, ведь колебания под действием звуковых волн накладываются на броуновское движение частиц. Расчеты показывают, что нано-ухо может фиксировать вибрации даже менее –60 дБ, что на шесть порядков ниже порога чувствительности человеческого уха.

По данным исследователей, разработанное ими устройство может использоваться для анализа звуков, издаваемых живыми микроорганизмами, например, бактериями и вирусами. Кроме того, оно может использоваться для исследования искусственно созданных микрообъектов, которые производят акустические колебания, не поддающиеся прямой визуализации из-за сильного поглощения или рассеяния света.

Более того, ученые считают, что в дальнейшем могли бы разработать новый тип акустической микроскопии, поскольку столь чувствительные звуковые датчики можно располагать в непосредственной близости от микроскопических объектов.