Fale dźwiękowe poruszają przedmiotami: przełom w fizyce

Fale akustyczne to drgania, które rozchodzą się przez ośrodek, taki jak powietrze, woda lub ciała stałe.

Fale te powstają, gdy jakiś obiekt zaczyna wibrować i wprawia w ruch otaczające go molekuły.

Te drgania tworzą obszary sprężenia i rozrzedzenia, w których cząsteczki są ściskane bliżej siebie lub rozciągane. Te powtarzające się obszary rozchodzą się przez ośrodek jako fala.

Fale akustyczne charakteryzują się częstotliwością, długością fali i amplitudą. Częstotliwość, mierzona w hercach (Hz), określa wysokość tonu dźwięku, przy czym wyższe częstotliwości dają wyższe tony.

Długość fali to odległość między dwoma następującymi po sobie punktami sprężenia lub rozrzedzenia, natomiast amplituda określa wysokość fali, która wpływa na głośność dźwięku.

Człowiek odbiera dźwięk, gdy te fale docierają do ucha i wprawiają błonę bębenkową w drgania. Drgania te są następnie przekształcane przez ucho wewnętrzne w sygnały elektryczne i interpretowane przez mózg, dzięki czemu jesteśmy w stanie słyszeć i rozpoznawać różne tony.

Fale akustyczne jako pomocne narzędzie: proste, ale skuteczne

W centrum tej nowej metody, zwanej „formowaniem impulsów falowych”, znajduje się wykorzystanie fal akustycznych.

Zespół badawczy pod kierownictwem Romaina Fleury'ego z laboratorium inżynierii falowej EPFL opracował technikę, która pozwala przemieszczać obiekty niezależnie od ich otoczenia czy właściwości fizycznych.

Wszystko, czego potrzeba, to pozycja obiektu, a fale akustyczne robią resztę, delikatnie przesuwając obiekty, tak jak można by przesunąć krążek hokejowy kijem. Ta analogia jest w ich eksperymentach traktowana dosłownie.

Proszę sobie wyobrazić piłeczkę do ping-ponga unoszącą się na wodzie, poruszaną przez fale dźwiękowe z głośników. W dużym zbiorniku kamera umieszczona nad nim rejestruje pozycję piłeczki, podczas gdy fale dźwiękowe prowadzą ją po z góry ustalonej trasie. Interakcje piłeczki z falami dźwiękowymi są analizowane w czasie rzeczywistym, co umożliwia precyzyjne sterowanie jej ruchem.

Rozwijanie potencjału

Naukowcy nie poprzestali na ruchu obiektów kulistych. Ich eksperymenty obejmowały również sterowanie rotacją obiektów oraz manewrowanie bardziej złożonymi kształtami, takimi jak np. origami w kształcie lotosu.

Technika opiera się na zasadzie zachowania pędu, co nadaje tej metodzie prostotę i wszechstronność.

To proste, a zarazem elastyczne podejście sprawia, że kształtowanie pędu fal jest obiecującą technologią o szerokim zakresie zastosowań.

Potencjał tej technologii sięga daleko w dziedzinę biomedycyny, gdzie mogłaby zrewolucjonizować sposób podawania terapii.

Mogłaby ona między innymi usprawnić systemy podawania leków, przesuwając je bezpośrednio do obszarów docelowych, takich jak komórki nowotworowe.

Metoda ta oferuje nieinwazyjną alternatywę, która mogłaby zmniejszyć ryzyko związane z tradycyjnymi metodami podawania leków.

Ponadto zastosowanie tej techniki w inżynierii tkankowej mogłoby zapobiec zanieczyszczeniom lub uszkodzeniom, które często powstają wskutek fizycznej manipulacji komórkami.

Naukowcy wyobrażają sobie również wykorzystanie tej metody w druku 3D, gdzie mogłaby ona precyzyjnie rozmieszczać mikroskopijne cząstki przed ich utwardzeniem w struktury.

Spojrzenie w przyszłość: fale dźwiękowe i nie tylko

Chociaż naukowcy koncentrują się obecnie na falach dźwiękowych, uważają, że zasady kształtowania pędu mogłyby zostać zastosowane również do światła, co poszerzyłoby zakres oddziaływania.

Przy wsparciu programu Spark Szwajcarskiego Narodowego Funduszu Nauki planują w następnym kroku rozszerzyć eksperymenty ze skali makro na skalę mikro, wykorzystując fale ultradźwiękowe do przemieszczania komórek pod mikroskopem.

Badanie zostanie opublikowane w czasopiśmie Nature Physics.