Schallwellen bewegen Objekte: Durchbruch in der Physik

Schallwellen sind Schwingungen, die sich durch ein Medium wie Luft, Wasser oder feste Stoffe ausbreiten.

Diese Wellen werden erzeugt, wenn ein Objekt vibriert und die umgebenden Moleküle in Schwingung versetzt.

Diese Schwingung erzeugt Bereiche der Kompression und der Verdünnung, in denen die Teilchen enger zusammengedrückt oder auseinandergedrückt werden. Diese abwechselnden Bereiche breiten sich als Welle durch das Medium aus.

Schallwellen werden durch ihre Frequenz, Wellenlänge und Amplitude charakterisiert. Die Frequenz, die in Hertz (Hz) gemessen wird, bestimmt die Tonhöhe des Schalls, wobei höhere Frequenzen höhere Tonhöhen erzeugen.

Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Verdichtungs- oder Verdünnungspunkten, während die Amplitude die Höhe der Welle angibt, die die Lautstärke des Schalls beeinflusst.

Der Mensch nimmt Schall wahr, wenn diese Wellen das Ohr erreichen und das Trommelfell in Schwingungen versetzen. Diese Schwingungen werden dann vom Innenohr in elektrische Signale umgewandelt und vom Gehirn interpretiert, sodass wir verschiedene Töne hören und erkennen können.

Schallwellen als Hilfsmittel: Einfach, aber wirksam

Im Mittelpunkt dieser neuen Methode, die als «Wellenimpulsformung» bezeichnet wird, steht die Verwendung von Schallwellen.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Romain Fleury vom EPFL-Labor für Welleningenieurwesen hat eine Technik entwickelt, die Objekte unabhängig von ihrer Umgebung oder ihren physikalischen Eigenschaften bewegt.

Alles, was man benötigt, ist die Position des Objekts, und die Schallwellen erledigen den Rest, indem sie die Objekte sanft schieben, so wie man einen Hockey-Puck mit einem Schläger bewegen könnte. Diese Analogie wird in ihren Experimenten wörtlich genommen.

Stellen Sie sich einen Tischtennisball vor, der auf dem Wasser schwimmt und durch Schallwellen aus Lautsprechern bewegt wird. In einem grossen Becken erfasst eine Kamera von oben die Position des Balls, während die Schallwellen ihn auf einer vorbestimmten Bahn führen. Die Interaktionen des Balls mit den Schallwellen werden in Echtzeit analysiert und ermöglichen eine präzise Steuerung seiner Bewegung.

Das Potenzial ausbauen

Die Forscher begnügten sich nicht mit der Bewegung kugelförmiger Objekte. Ihre Experimente umfassten auch die Steuerung der Rotation von Objekten und das Manövrieren komplexerer Formen, wie z. B. eines Origami-Lotus.

Die Technik basiert auf der Impulserhaltung, einem Prinzip, das der Methode ihre Einfachheit und Vielseitigkeit verleiht.

Dieser einfache und doch flexible Ansatz macht die Wellenimpulsformung zu einer vielversprechenden Technologie für eine Vielzahl von Anwendungen.

Das Potenzial dieser Technologie reicht weit in den biomedizinischen Bereich hinein, wo sie die Art und Weise, wie Behandlungen verabreicht werden, revolutionieren könnte.

So könnte sie unter anderem die Systeme zur Verabreichung von Medikamenten verbessern, indem sie die Medikamente direkt in die Zielgebiete wie Tumorzellen schiebt.

Diese Methode bietet eine nicht invasive Alternative, die die Risiken herkömmlicher Verabreichungsmethoden für Medikamente mindern könnte.

Ferner könnte die Anwendung der Technik bei der Gewebezüchtung Verunreinigungen oder Schäden vermeiden, die häufig durch die physische Manipulation von Zellen verursacht werden.

Die Forscher stellen sich auch den Einsatz im 3D-Druck vor, wo sie mikroskopisch kleine Partikel präzise anordnen könnten, bevor sie zu Strukturen verfestigt werden.

Ein Blick in die Zukunft: Schallwellen und darüber hinaus

Obwohl sich die Forscher derzeit auf Schallwellen konzentrieren, sind sie der Meinung, dass die Prinzipien der Impulsformung auch auf Licht angewendet werden könnten, wodurch sich der Wirkungsbereich erweitern liesse.

Mit Unterstützung des Spark-Programms des Schweizerischen Nationalfonds wollen sie als Nächstes die Experimente von der Makro- auf die Mikroskala ausdehnen, indem sie Ultraschallwellen verwenden, um Zellen unter einem Mikroskop zu bewegen.

Die Studie wird in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht.