Onderzoekers hebben onthuld hoe hoogfrequente geluidsgolven kunnen worden gebruikt om nieuwe materialen te bouwen, slimme nanodeeltjes maken en zelfs medicijnen naar de longen brengen voor pijnloze, naaldloze vaccinaties.

Hoewel geluidsgolven al tientallen jaren deel uitmaken van wetenschap en geneeskunde - ultrageluid werd voor het eerst gebruikt voor klinische beeldvorming in 1942 en voor het aansturen van chemische reacties in de jaren tachtig - hebben de technologieën altijd vertrouwd op lage frequenties.

Nu onderzoekers aan de RMIT University in Melbourne, Australië, hebben aangetoond hoe hoogfrequente geluidsgolven een revolutie teweeg kunnen brengen op het gebied van door ultrageluid aangedreven chemie.

Een nieuwe recensie gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap onthult de bizarre effecten van deze geluidsgolven op materialen en cellen, zoals moleculen die zichzelf spontaan lijken te ordenen nadat ze zijn geraakt met het sonische equivalent van een oplegger.

De onderzoekers beschrijven ook verschillende spannende toepassingen van hun baanbrekende werk, inclusief:

• Medicijnafgifte aan de longen —gepatenteerde vernevelingstechnologie die levensreddende medicijnen en vaccins zou kunnen leveren door inhalatie, in plaats van via injecties
• Geneesmiddelbeschermende nanodeeltjes —geneesmiddelen inkapselen in speciale nanocoatings om ze tegen bederf te beschermen, hun afgifte in de loop van de tijd controleren en ervoor zorgen dat ze zich precies op de juiste plaatsen in het lichaam richten, zoals tumoren of infecties
• Baanbrekende slimme materialen —duurzame productie van superporeuze nanomaterialen die kunnen worden gebruikt voor opslag, verschillend, uitgave, bescherm bijna alles
• Nanofabricage van 2D-materialen —precies, kosteneffectieve en snelle exfoliatie van atomair dunne kwantumdots en nanosheets

Hoofdonderzoeker Distinguished Professor Leslie Yeo en zijn team hebben meer dan tien jaar onderzoek gedaan naar de interactie van geluidsgolven op frequenties boven 10 MHz met verschillende materialen.

Maar Yeo zegt dat ze nu pas het scala aan vreemde verschijnselen beginnen te begrijpen die ze vaak in het laboratorium waarnemen.

"Als we hoogfrequente geluidsgolven koppelen aan vloeistoffen, materialen en cellen, de effecten zijn buitengewoon, " hij zegt.

"We hebben de kracht van deze geluidsgolven gebruikt om innovatieve biomedische technologieën te ontwikkelen en geavanceerde materialen te synthetiseren.

"Maar onze ontdekkingen hebben ook ons ​​fundamentele begrip van door ultrageluid gestuurde chemie veranderd - en onthulden hoe weinig we echt weten.

"Proberen de wetenschap van wat we zien uit te leggen en dat vervolgens toe te passen om praktische problemen op te lossen, is een grote en opwindende uitdaging."

Sonische golven:chemie versterken met geluid

Het onderzoeksteam van RMIT, waaronder Dr. Amgad Rezk, Dr. Heba Ahmed en Dr. Shwathy Ramesan, genereert hoogfrequente geluidsgolven op een microchip om vloeistoffen of materialen nauwkeurig te manipuleren.

Echografie wordt al lang gebruikt bij lage frequenties - ongeveer 10 kHz tot 3 MHz - om chemische reacties aan te sturen, een veld dat bekend staat als "sonochemie".

Bij deze lage frequenties sonochemische reacties worden aangedreven door de gewelddadige implosie van luchtbellen.

Dit proces, bekend als cavitatie, resulteert in enorme drukken en ultrahoge temperaturen, zoals een kleine en extreem gelokaliseerde snelkookpan.

Maar het blijkt dat als je de frequentie verhoogt, deze reacties veranderen volledig.

Toen hoogfrequente geluidsgolven werden uitgezonden naar verschillende materialen en cellen, de onderzoekers zagen gedrag dat nog nooit was waargenomen met laagfrequente echografie.

"We hebben zelfordenende moleculen gezien die zich in het kristal lijken te oriënteren in de richting van de geluidsgolven, "zegt Yo.

"De betrokken geluidsgolflengten kunnen meer dan 100 zijn, 000 keer groter dan een individueel molecuul, dus het is ongelooflijk raadselachtig hoe zoiets kleins precies kan worden gemanipuleerd met zoiets groots.

"Het is alsof je met een vrachtwagen door een willekeurige verzameling Legoblokjes rijdt, dan vinden die stukken mooi op elkaar gestapeld - het zou niet moeten gebeuren!"

Biomedische vooruitgang

Terwijl laagfrequente cavitatie vaak moleculen en cellen kan vernietigen, ze blijven grotendeels intact onder de hoogfrequente geluidsgolven.

Dit maakt ze zacht genoeg om te gebruiken in biomedische apparaten om biomoleculen en cellen te manipuleren zonder hun integriteit aan te tasten - de basis voor de verschillende technologieën voor medicijnafgifte die zijn gepatenteerd door het RMIT-onderzoeksteam.

Een van deze gepatenteerde apparaten is een goedkope, lichtgewicht en draagbare geavanceerde vernevelaar die grote moleculen zoals DNA en antilichamen nauwkeurig kan afleveren, in tegenstelling tot bestaande vernevelaars.

Dit opent de mogelijkheid voor pijnloze, naaldloze vaccinaties en behandelingen.

De vernevelaar gebruikt hoogfrequente geluidsgolven om het oppervlak van de vloeistof of het medicijn te prikkelen, het genereren van een fijne nevel die grotere biologische moleculen rechtstreeks naar de longen kan afleveren.

De vernevelingstechnologie kan ook worden gebruikt om een ​​medicijn in te kapselen in beschermende polymeer nanodeeltjes, in een eenstapsproces waarbij nanoproductie en medicijnafgifte worden gecombineerd.

In aanvulling, de onderzoekers hebben aangetoond dat door cellen te bestralen met de hoogfrequente geluidsgolven, therapeutische moleculen zonder schade in de cellen kunnen worden ingebracht, een techniek die kan worden gebruikt in opkomende celgebaseerde therapieën.

Slimme materialen

Het team heeft de geluidsgolven gebruikt om kristallisatie te stimuleren voor de duurzame productie van metaal-organische raamwerken, of MOF's.

Voorspeld als het bepalende materiaal van de 21e eeuw, MOF's zijn ideaal voor het detecteren en vangen van stoffen in minieme concentraties, om water of lucht te zuiveren, en kan ook grote hoeveelheden energie bevatten, voor het maken van betere batterijen en energieopslagapparaten.

Terwijl het conventionele proces voor het maken van een MOF uren of dagen kan duren en het gebruik van agressieve oplosmiddelen of intensieve energieprocessen vereist, het RMIT-team heeft een schone, geluidsgolfgestuurde techniek die binnen enkele minuten een aangepaste MOF kan produceren en eenvoudig kan worden opgeschaald voor efficiënte massaproductie.

Geluidsgolven kunnen ook worden gebruikt voor nanofabricage van 2D-materialen, die worden gebruikt in talloze toepassingen, van flexibele elektrische circuits tot zonnecellen.

Opschalen en grenzen verleggen

De volgende stappen voor het RMIT-team zijn gericht op het opschalen van de technologie.

Tegen lage kosten van slechts $ 0,70 per apparaat, de geluidsgolfgenererende microchips kunnen worden geproduceerd met behulp van de standaardprocessen voor massaproductie van siliciumchips voor computers.

"Dit opent de mogelijkheid om industriële hoeveelheden materialen te produceren met deze geluidsgolven door massale parallellisatie - door duizenden van onze chips tegelijkertijd te gebruiken, "zei Yo.

Het team van het Micro/Nanophysics Research Laboratory, in RMIT's School of Engineering, is een van de weinige onderzoeksgroepen ter wereld die hoogfrequente geluidsgolven samenbrengt, microfluïdica en materialen.

Yeo zegt dat het onderzoek lang bestaande fysica-theorieën uitdaagt, het openen van een nieuw veld van "hoogfrequente excitatie" parallel aan sonochemie.

"De klassieke theorieën die sinds het midden van de 19e eeuw zijn opgesteld, verklaren niet altijd het vreemde en soms tegenstrijdige gedrag dat we zien - we verleggen de grenzen van ons begrip."