به گزارش سرویس ترجمه ایمنا، امواج صوتی مانند یک جفت موچین نامرئی می‌توانند برای معلق کردن اجسام کوچک در هوا مورد استفاده قرار گیرد. اگرچه کیت‌های شناور صوتی به‌راحتی در دسترس است این فناوری کاربردهای مهمی در تحقیقات و صنعت از جمله برای دستکاری مواد ظریفی هم‌چون سلول‌های بیولوژیکی دارد.
موچین صوتی چیست؟
موچین‌های صوتی مجموعه‌ای همه‌کاره از ابزارها هستند که برای دستکاری ذرات زیستی از وزیکول‌های خارج سلولی نانومتری گرفته تا موجودات چند سلولی میلی‌متری از امواج صوتی استفاده می‌کنند.
قابلیت‌های موچین‌های صوتی در طول چند دهه گذشته از به دام انداختن ذرات ساده به چرخش دقیق و ترجمه سلول‌ها و موجودات در فضای سه بعدی گسترش یافته است. پیشرفت‌های اخیر علم و فناوری به پیکربندی مجدد موچین‌های صوتی منجر شده که قادر به جداسازی، غنی‌سازی و الگوبرداری از ذرات زیستی در محلول‌های پیچیده هستند.
محققان دانشگاه فناوری سیدنی (UTS) و دانشگاه نیوساوت‌ولز (UNSW) طی مطالعه جدیدی که نتایج آن در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، ثابت کردند که برای کنترل دقیق یک ذره با استفاده از امواج مافوق صوت، باید شکل ذره و چگونگی آن را در نظر گرفت.
این عوامل هر دو بر میدان صوتی تأثیر می‌گذارد. مدل‌های نظری قبلی تنها ذرات متقارن را در نظر گرفته بود حال آن‌که محققان دانشگاه‌های سیدنی و نیوساوت‌ولز این نظریه را برای توضیح ذرات نامتقارن گسترش دادند که بیشتر در تجربه دنیای واقعی کاربرد دارد.
شناوری صدا زمانی اتفاق می‌افتد که امواج صوتی برهم کنش داشته باشند و یک موج ایستاده با گره‌هایی تشکیل دهند که می‌تواند یک ذره را به دام بیندازد. نظریه اصلی آکوستوفورزیس که پایه ریاضی فعلی برای شناور صوتی است این فرض را ایجاد می‌کند که ذره به‌دام افتاده کروی‌شکل است.
آکوستوفورزیس چیست؟
آکوستوفورزیس به‌معنای جابه‌جایی همراه با صدا است؛ یعنی فورزیس (جابه‌جایی) و آکوستو (امواج صوتی) مجریان حرکت هستند. آکوستوفورزیس یک حالت غیرتماسی و بدون برچسب برای دستکاری ذرات و جمعیت سلولی است و امکان اجرای چندین حالت جداسازی را فراهم می‌کند. این فناوری درحال‌حاضر کاربردهای فزاینده‌ای در کاربردهای زیست‌تحلیلی و بالینی جابه‌جایی و دستکاری سلولی پیدا کرده است.
مطابق با این نظریه ذرات معلق در معرض یک میدان موج ایستاده صوتی تحت تأثیر نیروی تشعشع قرار خواهند گرفت و اگر خواص صوتی ذره با محیط اطراف متفاوت باشد این نیرو باعث می‌شود که ذره در میدان صوتی حرکت کند. بزرگی حرکت به عوامل زیادی هم‌چون اندازه ذره، دامنه فشار آکوستیک و فرکانس موج صوتی بستگی دارد.
محققان مطالعه حاضر با استفاده از خاصیتی به نام «جفت شدن ویلیس» نشان دادند که فقدان تقارن، نیرو و گشتاور اعمال شده بر یک جسم را در حین شناور شدن و مکان به دام افتادن را تغییر می‌دهد که از این دانش می‌توان برای کنترل دقیق یا مرتب کردن اجسام کوچک‌تر از طول موج اولتراسوند استفاده کرد.
نیروی تشعشع صوتی و برگشت گشتاور ناشی از جفت‌شدن ویلیس
جفت‌شدن ویلیس برای امواج مکانیکی به‌معنای جفت متقابل بین تنش و سرعت یا بین تکانه و کرنش است. متا اتم‌های (meta-atoms) آکوستیک به‌عنوان بلوک‌های ساختمانی «متا مواد» عمل می‌کنند که با خواص خطی برای دستیابی به عملکردهایی مانند هدایت پرتو، پوشاندن و تمرکز طراحی شده‌اند.
آن‌ها همچنین برای شکل دادن به ویژگی‌های میدان‌های صوتی برخوردی مورد استفاده قرار می‌گیرند که منجر به دستکاری نیروی تابش صوتی و گشتاور برای توسعه موچین‌های صوتی با رزولوشن یا وضوح فضایی بهبود یافته می‌شود. با این حال نیروی تابش صوتی و گشتاور به شکل جسم بستگی دارد که به‌شدت بر خواص پراکندگی آن تأثیر می‌گذارد.
با طراحی خواص خطی یک جسم با استفاده از مفاهیم فراماده می‌توان اثرات آکوستیک غیرخطی نیروی تابش و گشتاور را کنترل کرد. فراماده آکوستیک، یک سیستم مکانیکی یا مادی با ساختار زیرموجی است که برای ایجاد خواص خاص ماده مؤثر در حد همگن‌سازی طراحی شده است.
تحقیقات محققان سیدنی و نیوساوت‌ولز
محققان دانشگاه‌های سیدنی و نیوساوت‌ولز مدل خود را روی یک متا اتم سه‌بعدی با طول موج «زیرموج» با حداکثر جفت‌شدن ویلیس اعمال کردند و نشان دادند که نیرو و گشتاور را می‌توان نسبت به یک ذره متقارن معادل معکوس کرد.
با در نظر گرفتن فقدان تقارن شکل در نیروی تابش صوتی و گشتاور، نظریه بنیادی آکوستوفورزیس به این ترتیب گسترش می‌یابد که اشکال نامتقارن با جابه‌جایی محل تله‌گیری (به‌دام افتادن) پایدار بر میدان‌های صوتی تأثیر می‌گذارد و پتانسیل مرتب‌سازی ذرات وابسته به شکل را برجسته می‌کند.
مدل پیشنهادی این تحقیق در مفهوم گسترده‌تر براساس شکل و هندسه دو حوزه پرطرفدار دستکاری فراصوت غیرتماسی و متامواد را به هم نزدیک‌تر می‌کند و توانایی کنترل دقیق اجسام کوچک بدون دست زدن به آن‌ها محققان را قادر می‌سازد تا خواص اجسام حساس بیولوژیکی مانند زائده، بال، شاخک یا پاهای حشرات را کشف کنند.
حشرات توانایی‌های شگفت‌انگیزی دارند؛ برای مثال موریانه‌ها به‌شدت نسبت به ارتعاشات حساس هستند و می‌توانند از طریق این حس ارتباط برقرار کنند مورچه‌ها می‌توانند چندین برابر وزن بدن خود را حمل کنند و در برابر نیروهای قابل‌توجهی مقاومت کنند و ساختار فیلیگرانی بال‌های زنبور عسل ترکیبی از قدرت و انعطاف‌پذیری است.
به‌دست آوردن درک بهتر از پویایی ساختاری خاص این اجسام طبیعی هم‌چون نحوه ارتعاش یا مقاومت آن‌ها در برابر نیروهای وارده، می‌تواند امکان توسعه مواد جدید را براساس الهام از طبیعت برای استفاده در صنایعی مانند ساخت‌وساز، صنایع دفاع یا توسعه حسگر فراهم کند.
محققان دانشگاه‌های سیدنی و نیوساوت‌ولز در مطالعه اخیر خود روی تلاش برای درک ویژگی‌های مکانیکی اندام‌های حسگر موریانه متمرکز شدند تا با درک آن بتوانند حسگرهای ارتعاشی فوق حساس ابداع کنند. آن‌ها به‌تازگی جزئیات ساختاری اندام ریزی واقع در پای موریانه را شناسایی کرده‌اند که می‌تواند میکرو ارتعاشات را حس کند.
ارزیابی ویژگی‌های دینامیکی این اجسام بیولوژیکی در حال حاضر بسیار دشوار است چراکه محققان حتی ابزار لازم برای نگهداشتن آن‌ها را در اختیار ندارند و لمس آن‌ها ممکن است اندازه‌گیری‌ها را مختل کند.
استفاده از لیزرهای غیر تماسی نیز منجر به وارد آمدن آسیب می‌شود، بنابراین کاربرد گسترده تحقیق نظری فعلی تنها برای استفاده در تحلیل‌های غیرتماسی به‌منظور استخراج اصول مواد جدید در راستای توسعه مواد آکوستیک جدید عنوان شده است.
ترجمه از: مریم زمانی، خبرنگار ایمنا
نظر شما