Ingenjörer vid Duke University har tagit fram en ny metod för att använda ljudvågor för att manipulera små partiklar som hänger i vätska på komplexa sätt. Dubbade en "skuggvågledare, "tekniken använder bara två ljudkällor för att skapa en tätt begränsad, rumsligt komplext akustiskt fält inuti en kammare utan att kräva någon inre struktur. Tekniken erbjuder en ny uppsättning funktioner till den snabbt utvecklande plattformen för akustiska pincetter som har tillämpningar inom områden som kemisk reaktionskontroll, mikrorobotik, drogleverans, och cell- och vävnadsteknik.
Forskningen visas online 18 augusti i tidskriften Vetenskapliga framsteg .
Akustisk pincett är en framväxande teknik som använder ljudvågor för att manipulera små partiklar som hänger i vätska. Eftersom inget fysiskt föremål vidrör partiklarna, tekniken är skonsam, erbjuder inga biokompatibilitetsproblem och kräver inga etiketter, vilket gör det till ett lockande val för att arbeta med känsliga biomolekyler.
På det biomedicinska området, akustiska pincetter kan fånga, rotera och flytta partiklar eller organismer för inspektion, sortering eller andra applikationer. De kan hålla vissa reagenser och kemikalier åtskilda innan de får blanda i exakta mängder för att kontrollera reaktionerna. Tekniken ger också en möjlighet att mönstra olika material innan du använder ett antal tekniker för att fixa dem på plats för att skapa nya typer av material.
Trots all sin potential, tekniken har sina begränsningar. De flesta nuvarande inställningar använder flera ljudkällor placerade runt en vätskefylld kammare som skapar ett rutmönster av områden som kan fånga och flytta partiklar i låssteg med varandra. Detta gör det svårt att manipulera partiklar oberoende av varandra eller genom komplexa mönster. Det senare kan uppnås genom att inkludera fasta kanalstrukturer i kammaren, men detta kan skada känsliga partiklar och begränsa hur snabbt prover kan flyttas genom systemet.
För att övervinna dessa begränsningar, Steve Cummer, William H. Younger Distinguished Professor of Engineering vid Duke, vände sig till idéer inspirerade av metamaterial. Metamaterial är syntetmaterial som består av många individuella konstruerade funktioner, som tillsammans ger egenskaper som inte finns i naturen.
"Vi ville injicera akustisk vågsenergi i kammaren och använda en struktur strax utanför kammaren för att styra formen på ljudvågorna inuti, "sa Cummer." Resultatet är ungefär som en optisk fiber för ljud som formar ljudutbredningen och avsiktligt läcker en del av sin energi in i kammaren - en slags ljudskugga - för att styra partiklarna inuti med virtuella kanaler. "
I det nya papperet Cummer och Junfei Li, en postdoktor som arbetar i sitt laboratorium, i samarbete med mångårig akustisk pincettinnovatör Tony Huang, William Bevan Distinguished Professor of Engineering vid Duke, visa olika funktioner i deras skuggvågledarstrategi. Varje skuggvågledare skapas genom 3D -utskrift av en form med funktioner specifika för hur partiklar inuti kammaren ska kontrolleras. En typ av silikon som kallas polydimetylsiloxan (PDMS) hälls i varje halvrörsform med funktioner som skapar kanaler i den färdiga produkten.
PDMS har akustiska egenskaper som mycket liknar vatten, vilket gör att ljudvågor enkelt kan resa från skuggvågledaren in i kammaren. Mönstret för de luftfyllda kanalerna inom PDMS dikterar var och hur ljudvågorna kommer in i kammaren, tillåter forskarna att skapa ett brett spektrum av komplexa akustiska fält för att styra partiklar.
Cummer och Li använder denna inställning för att fånga och flytta enskilda mikropartiklar längs flera komplexa vägar genom kammaren. Och genom att skapa två ljudkällor - en i vardera änden av skuggvågledaren - visar forskarna att de kan pumpa partiklar längs en långsamt böjande båge med exakt kontrollerad hastighet.
Med denna demonstration i handen, forskarna försöker nu att komplicera sin uppfinning, antingen genom att göra vågledarna dynamiskt omkonfigurerbara eller genom att slå samman den med andra befintliga metoder för akustisk pincett.
"Akustiska enheter är mycket svåra att göra omkonfigurerbara, men vi skulle gärna hitta ett sätt att göra det möjligt eftersom det skulle vara en dramatisk förbättring av denna tekniks användbarhet, "sa Li." För nu, vi letar efter specifika utmaningar som vi skulle kunna anpassa dessa skuggvågledare för att ta itu med för att flytta den från en proof-of-concept-demonstration till en mer sofistikerad applikation. "
"Vägen till ansökan kan vara att slå samman detta med flera begrepp inom fältet, "la till Cummer." Att lägga till flera ljudkällor och strukturer för att skapa mer komplexitet kan vara det som knuffar oss över kanten i vissa applikationer. "
