Een multidisciplinair team van onderzoekers van Skoltech heeft de resonantiefrequenties van diatomeeënfrustules ontdekt. Deze ingewikkeld gestructureerde siliciumdioxideschillen van eencellige microalgen bieden een veelbelovend model voor op de natuur geïnspireerde elektronische en optische apparaten, zoals kleine ultrasone detectoren voor geavanceerde medische beeldvorming en componenten voor ultrasnelle signaalverwerking in microchips van de toekomst.

Er is echter een beter begrip nodig van de eigenschappen van diatomeeënfrustules voordat deze opwindende toepassingen kunnen plaatsvinden, en de recente studie in Applied Physics Letters is een belangrijke stap in die richting.

Diatomeeënalgen zijn verantwoordelijk voor ongeveer een vijfde van de zuurstofvoorraad op aarde en een kwart van de biomassa van de planeet. Ze zijn een hoofdbestanddeel van plankton en een alomtegenwoordige levensvorm die voorkomt in de oceanen, waterwegen en bodems van de wereld.

Het evolutionaire succes van diatomeeën – met hun harde en lichtgewicht omhulsels gemaakt van siliciumdioxide en gemarkeerd met ingewikkelde gatenpatronen – heeft wetenschappers ertoe gebracht hun eigenschappen en structuur te bestuderen en deze te exploiteren in een reeks materialen en consumptiegoederen, van schuurmiddelen voor het polijsten van metalen en tandpasta tot waterzuiveringssystemen en kattenbakvulling. Nu wachten de technischere toepassingen op hun beurt.

"Deze studie combineert computersimulaties met een experiment", aldus hoofdauteur van het artikel, Skoltech-onderzoeker Julijana Cvjetinovic. "De simulaties stelden ons in staat de resonantiefrequenties van diatomeeën binnen het bereik van 1-8 MHz te voorspellen, en we gebruikten een atoomkrachtmicroscoop om de allereerste experimentele validatie van deze frequenties te leveren." De metingen zijn uitgevoerd door Skoltech Senior Research Scientist Sergey Luchkin.

Het kennen van de resonantiefrequenties van deze microscopische structuren is cruciaal voor het exploiteren van hun door de natuur geoptimaliseerde ontwerp in kleine apparaten die bewegende delen combineren met optica (fotonische geïntegreerde schakelingen of PIC's) of met elektronica (micro-elektromechanische systemen, ook wel MEMS-apparaten genoemd):de microfoons in draagbare apparaten, de druksensoren in autobanden, de versnellingsmeters in virtual reality-apparatuur, de luidsprekers voor in-ear hoortoestellen, de sensoren in het hart van vliegtuignavigatiesystemen, enz.

"In dergelijke apparaten zouden structuren die diatomeeënschelpen nabootsen als primaire componenten kunnen worden gebruikt, en in dit opzicht zijn onze bevindingen bijzonder relevant voor het ontwerp van microfoons en andere op trillingen gebaseerde sensoren", aldus Cvjetinovic. "Maar daarnaast zouden ze kunnen dienen als trillingsdempers. Zie je, bij apparaten die op zo'n kleine schaal werken, kunnen zelfs relatief lichte trillingen de prestaties nadelig beïnvloeden. En structuren die diatomeeënfrustules nabootsen zouden dat kunnen verzachten."

De co-hoofdonderzoeker van het onderzoek, Skoltech-professor Dmitry Gorin, hoofd van het Biophotonics Lab van Skoltech, zoomde in op een van de mogelijke toepassingen in microfoons:"Ons laboratorium streeft naar een geavanceerde medische diagnostische techniek genaamd opto-akoestiek, waarbij opwindende ultrasone trillingen in bepaalde objecten betrokken zijn. —bloedcellen, haarvaten, bloedvaten, enz.—in het lichaam met thermische vervorming veroorzaakt door een laserpuls en vervolgens hun locatie bepalen via zeer gevoelige ultrasone detectoren."

"Het is een nauwkeurige beeldvormingstechniek zonder röntgenstralen die zou kunnen profiteren van op PIC gebaseerde ultrasone detectoren met membranen die diatomeeënschelpen emuleren."

Eerder stelden Skoltech-onderzoekers een opto-akoestische endoscopische sonde voor voor microchirurgie en medische diagnostiek. Ze gebruikten ook een scanning-elektronenmicroscoop in een veeleisend experiment dat onthulde hoe de statische en dynamische mechanische eigenschappen van diatomeeënfrustules verband houden met hun structuur.

Deze kennis vormde de basis voor de computersimulatie in het recente artikel in Applied Physics Letters , wat ook onmogelijk zou zijn geweest zonder het baanbrekende theoretische werk op het gebied van diatomeeënresonantiefrequentieberekening door Skoltech-professor Alexander Korsunsky, die ook co-hoofdonderzoeker was van het nieuwe onderzoek.

De mogelijkheden om deze onderzoekslijn voort te zetten omvatten volgens het team onder meer het ontwikkelen van kunstmatige op diatomeeën geïnspireerde structuren en het bestuderen van hun integratie in op PIC gebaseerde ultrasone detectoren als zeer gevoelige membranen.

Meer informatie: Julijana Cvjetinovic et al, Trillingseigenmodi in diatomeeënfrustules onderzoeken via gecombineerd in silico computationeel onderzoek en experimenten met atoomkrachtmicroscopie, Applied Physics Letters (2023). DOI:10.1063/5.0171503

Journaalinformatie: Brieven over toegepaste natuurkunde

Aangeboden door Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie