Geluidsgolven verplaatsen voorwerpen: doorbraak in de fysica

Geluidsgolven zijn trillingen die zich door een medium zoals lucht, water of vaste stoffen verplaatsen.

Deze golven ontstaan wanneer een object trilt en de omringende moleculen in beweging brengt.

Deze trilling veroorzaakt gebieden van samendrukking en verdunning, waarbij de deeltjes dichter bij elkaar of verder van elkaar worden geduwd. Deze afwisselende gebieden verspreiden zich als een golf door het medium.

Geluidsgolven worden gekenmerkt door hun frequentie, golflengte en amplitude. De frequentie, gemeten in hertz (Hz), bepaalt de toonhoogte van het geluid, waarbij hogere frequenties hogere tonen produceren.

De golflengte is de afstand tussen twee opeenvolgende samendrukkings- of verdunningspunten, terwijl de amplitude de hoogte van de golf aangeeft, die het volume van het geluid beïnvloedt.

De mens neemt geluid waar wanneer deze golven het oor bereiken en het trommelvlies in trilling brengen. Deze trillingen worden vervolgens door het binnenoor omgezet in elektrische signalen en door de hersenen geïnterpreteerd, waardoor we verschillende tonen kunnen horen en herkennen.

Geluidsgolven als hulpmiddel: eenvoudig, maar doeltreffend

Centraal in deze nieuwe methode, die 'golfimpulsvorming' wordt genoemd, staat het gebruik van geluidsgolven.

Het onderzoeksteam onder leiding van Romain Fleury van het EPFL-laboratorium voor golftechniek heeft een techniek ontwikkeld die objecten verplaatst, onafhankelijk van hun omgeving of fysische eigenschappen.

Het enige wat men nodig heeft, is de positie van het object, en de geluidsgolven doen de rest door de objecten zachtjes te duwen, zoals men een hockeypuck met een stick zou kunnen verplaatsen. Deze analogie wordt in hun experimenten letterlijk genomen.

Stel u een tafeltennisbal voor die op het water drijft en door geluidsgolven uit luidsprekers wordt bewogen. In een groot bassin registreert een camera van boven de positie van de bal, terwijl de geluidsgolven hem langs een vooraf bepaald traject leiden. De interacties van de bal met de geluidsgolven worden in realtime geanalyseerd, waardoor zijn beweging nauwkeurig kan worden aangestuurd.

Het potentieel uitbreiden

De onderzoekers namen geen genoegen met alleen de beweging van bolvormige voorwerpen. Hun experimenten omvatten ook het besturen van de rotatie van objecten en het manoeuvreren van complexere vormen, zoals een origami-lotus.

De techniek is gebaseerd op behoud van impuls, een principe dat de methode haar eenvoud en veelzijdigheid geeft.

Deze eenvoudige maar toch flexibele aanpak maakt golfimpulsvorming tot een veelbelovende technologie voor een breed scala aan toepassingen.

Het potentieel van deze technologie reikt ver tot in het biomedische domein, waar ze de manier waarop behandelingen worden toegediend zou kunnen revolutioneren.

Zo zou ze onder andere de systemen voor medicijntoediening kunnen verbeteren door medicijnen rechtstreeks naar doelgebieden zoals tumorcellen te duwen.

Deze methode biedt een niet-invasief alternatief dat de risico's van conventionele methoden voor medicijntoediening zou kunnen verminderen.

Verder zou de toepassing van de techniek bij weefselkweek verontreinigingen of schade kunnen voorkomen die vaak worden veroorzaakt door de fysieke manipulatie van cellen.

De onderzoekers stellen zich ook een toepassing voor in 3D-printen, waarbij ze microscopisch kleine deeltjes nauwkeurig zouden kunnen rangschikken voordat ze tot structuren worden verhard.

Een blik op de toekomst: geluidsgolven en verder

Hoewel de onderzoekers zich momenteel op geluidsgolven concentreren, zijn ze van mening dat de principes van impulsvorming ook op licht kunnen worden toegepast, waardoor het toepassingsgebied zich zou uitbreiden.

Met steun van het Spark-programma van het Schweizerischer Nationalfonds willen ze de experimenten vervolgens van macro- naar microschaal uitbreiden, door ultrasone golven te gebruiken om cellen onder een microscoop te bewegen.

De studie wordt gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics.