Ingenieurs van Duke University hebben een nieuwe benadering bedacht om geluidsgolven te gebruiken om kleine deeltjes die in vloeistof zijn gesuspendeerd op complexe manieren te manipuleren. Nagesynchroniseerd als een "schaduwgolfgeleider, " de techniek gebruikt slechts twee geluidsbronnen om een ​​strak omsloten, ruimtelijk complex akoestisch veld in een kamer zonder enige interne structuur. De technologie biedt een nieuwe reeks functies aan het zich snel ontwikkelende platform van akoestische pincetten dat toepassingen heeft op gebieden zoals chemische reactiecontrole, micro-robotica, medicijnafgifte, en cel- en weefseltechnologie.

Het onderzoek verschijnt 18 augustus online in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Akoestische pincetten zijn een opkomende technologie die geluidsgolven gebruikt om kleine deeltjes te manipuleren die in vloeistof zijn gesuspendeerd. Omdat geen enkel fysiek object de deeltjes raakt, de techniek is zacht, biedt geen biocompatibiliteitsproblemen en vereist geen labels, waardoor het een verleidelijke keuze is voor het werken met delicate biomoleculen.

In de biomedische wereld, akoestische pincet kan vallen, roteren en verplaatsen van deeltjes of organismen voor inspectie, sorteren of andere toepassingen. Ze kunnen bepaalde reagentia en chemicaliën gescheiden houden voordat ze in precieze hoeveelheden kunnen worden gemengd om reacties te beheersen. De technologie biedt ook een mogelijkheid om verschillende materialen van een patroon te voorzien voordat een aantal technieken wordt gebruikt om ze op hun plaats te bevestigen om nieuwe soorten materialen te creëren.

Ondanks al zijn potentieel, de technologie heeft zijn beperkingen. De meeste huidige opstellingen gebruiken meerdere geluidsbronnen die rond een met vloeistof gevulde kamer zijn geplaatst en die een dambordpatroon creëren van gebieden die deeltjes in de pas met elkaar kunnen vangen en verplaatsen. Dit maakt het moeilijk om deeltjes onafhankelijk van elkaar of via complexe patronen te manipuleren. Dit laatste kan worden bereikt door solide kanaalstructuren in de kamer op te nemen, maar dit kan delicate deeltjes beschadigen en beperken hoe snel monsters door het systeem kunnen worden verplaatst.

Om deze beperkingen te overwinnen, Steve Cummer, de William H. Younger Distinguished Professor of Engineering aan Duke, wendde zich tot ideeën geïnspireerd door metamaterialen. Metamaterialen zijn synthetische materialen die zijn samengesteld uit vele individuele technische kenmerken, die samen eigenschappen produceren die niet in de natuur voorkomen.

"We wilden akoestische golfenergie in de kamer injecteren en een structuur net buiten de kamer gebruiken om de vorm van de geluidsgolven binnenin te regelen, "zei Cummer. "Het resultaat is een soort optische vezel voor geluid die de geluidsvoortplanting vormgeeft en opzettelijk wat van zijn energie in de kamer lekt - een soort geluidsschaduw - om de deeltjes binnenin te beheersen met virtuele kanalen."

In de nieuwe krant Cummer en Junfei Li, een postdoctoraal onderzoeker die in zijn laboratorium werkt, in samenwerking met de oude akoestische pincetvernieuwer Tony Huang, de William Bevan Distinguished Professor of Engineering aan Duke, demonstreren verschillende mogelijkheden van hun schaduwgolfgeleiderbenadering. Elke schaduwgolfgeleider wordt gemaakt door 3D-printen van een mal met kenmerken die specifiek zijn voor hoe deeltjes in de kamer moeten worden gecontroleerd. Een type siliconen genaamd polydimethylsiloxaan (PDMS) wordt in elke halve buisvorm gegoten met functies die kanalen creëren in het eindproduct.

Het PDMS heeft akoestische eigenschappen die sterk lijken op water, waardoor geluidsgolven gemakkelijk van de schaduwgolfgeleider naar de kamer kunnen reizen. Het patroon van de met lucht gevulde kanalen in het PDMS bepaalt waar en hoe de geluidsgolven de kamer binnenkomen, waardoor de onderzoekers een breed scala aan complexe akoestische velden kunnen creëren om deeltjes te beheersen.

Cummer en Li gebruiken deze opstelling om individuele microdeeltjes langs meerdere complexe paden door de kamer te vangen en te verplaatsen. En door twee geluidsbronnen op te zetten - één aan beide uiteinden van de schaduwgolfgeleider - laten de onderzoekers zien dat ze deeltjes met een nauwkeurig gecontroleerde snelheid langs een langzaam buigende boog kunnen pompen.

Met deze demonstratie in de hand, de onderzoekers willen nu complexiteit toevoegen aan hun uitvinding, ofwel door de golfgeleiders dynamisch herconfigureerbaar te maken of door ze samen te voegen met andere bestaande benaderingen van akoestische pincetten.

"Akoestische apparaten zijn erg moeilijk herconfigureerbaar te maken, maar we zouden graag een manier vinden om dat mogelijk te maken, want het zou een dramatische verbetering zijn in de bruikbaarheid van deze techniek, "zei Li. "Voor nu, we zijn op zoek naar specifieke uitdagingen waarvoor we deze schaduwgolfgeleiders kunnen aanpassen om het van een proof-of-concept-demonstratie naar een meer geavanceerde toepassing te verplaatsen."

"Het pad naar toepassing zou kunnen zijn om dit samen te voegen met meerdere concepten in het veld, "voegde Cummer toe. "Het toevoegen van meerdere geluidsbronnen en structuren om meer complexiteit te creëren, kan ons in sommige toepassingen over de rand duwen."