Ett multidisciplinärt team av forskare från Skoltech har upptäckt resonansfrekvenserna för kiselalgerfrustler. Dessa intrikat strukturerade kiseldioxidskal av encelliga mikroalger utgör en lovande modell för naturinspirerade elektroniska och optiska enheter, såsom små ultraljudsdetektorer för avancerad medicinsk bildbehandling och komponenter för ultrasnabb signalbehandling i framtidens mikrochips.

Det kommer dock att krävas en bättre förståelse för egenskaperna hos kiselalger för att dessa spännande tillämpningar ska ske, och den nyligen genomförda studien i Applied Physics Letters är ett viktigt steg i den riktningen.

Kiselalger, som står för ungefär en femtedel av jordens syretillförsel och en fjärdedel av planetens biomassa, är en huvudkomponent i plankton och en allestädes närvarande livsform som finns i världens hav, vattendrag och jordar.

Kiselalgernas evolutionära framgång – med sina hårda och lätta skal gjorda av kiseldioxid och markerade med invecklade hålmönster – har fått forskare att studera deras egenskaper och struktur och utnyttja dem i en rad material och konsumentvaror, från metallpolerande slipmedel och tandkräm. till vattenreningssystem och kattsand. Nu väntar teknikerapplikationer på sin tur.

"Denna studie kombinerar datorsimuleringar med ett experiment", kommenterade tidningens huvudförfattare, Skoltech Research Scientist Julijana Cvjetinovic. "Simuleringarna gjorde det möjligt för oss att förutsäga resonansfrekvenserna för kiselalger inom intervallet 1-8 MHz, och vi använde ett atomkraftmikroskop för att tillhandahålla den första experimentella valideringen någonsin av dessa frekvenser." Mätningarna utfördes av Skoltech Senior Research Scientist Sergey Luchkin.

Att känna till resonansfrekvenserna för dessa mikroskopiska strukturer är avgörande för att utnyttja deras design, optimerad av naturen, i små enheter som kombinerar rörliga delar med optik (fotoniska integrerade kretsar eller PIC) eller med elektronik (mikroelektromekaniska system, aka MEMS-enheter):mikrofonerna i bärbara enheter, trycksensorerna i bildäck, accelerometrarna i virtuell verklighetsutrustning, högtalarna för in-ear hörapparater, sensorerna i hjärtat av flygplansnavigeringssystem, etc.

"I sådana enheter kan strukturer som emulerar kiselalgerskal användas som primära komponenter, och i detta avseende är våra resultat särskilt relevanta för designen av mikrofoner och andra vibrationsbaserade sensorer," sa Cvjetinovic. "Men förutom det skulle de kunna fungera som vibrationsdämpare. Du förstår, i enheter som arbetar i så liten skala kan även relativt små vibrationer påverka prestandan negativt. Och strukturer som efterliknar kiselalgerfrustler kan mildra det."

Studiens huvudutredare, Skoltech-professor Dmitry Gorin, som leder Skoltechs Biophotonics Lab, zoomade in på en av de potentiella applikationerna inom mikrofoner:"Vårt laboratorium bedriver en avancerad medicinsk diagnostisk teknik som kallas optoakustik, som involverar spännande ultraljudsvibrationer i vissa föremål. —blodkroppar, kapillärer, kärl, etc. — i kroppen med termisk deformation inducerad av en laserpuls och sedan lokalisering av deras placering via mycket känsliga ultraljudsdetektorer."

"Det är en exakt och röntgenfri bildteknik som kan dra nytta av PIC-baserade ultraljudsdetektorer med membran som emulerar kiselalgerskal."

Tidigare har Skoltech-forskare föreslagit en optoakustisk endoskopisk sond för mikrokirurgi och medicinsk diagnostik. De använde också ett svepelektronmikroskop i ett krävande experiment som avslöjade hur de statiska och dynamiska mekaniska egenskaperna hos kiselalgerfrustler är relaterade till deras struktur.

Denna kunskap informerade datorsimuleringen i den senaste artikeln i Applied Physics Letters , vilket också skulle ha varit omöjligt utan det banbrytande teoretiska arbetet med kiselalgerresonansfrekvensberäkning av Skoltech-professorn Alexander Korsunsky, som också var huvudutredare för den nya studien.

Möjligheterna att fortsätta denna undersökning inkluderar enligt teamet att utveckla konstgjorda kiselalgerinspirerade strukturer och studera deras integration i PIC-baserade ultraljudsdetektorer som mycket känsliga membran.

Mer information: Julijana Cvjetinovic et al, Probing vibrational eigenmodes in diatom frustles via combined in silico computational study and atomic force microscopy experiments, Applied Physics Letters (2023). DOI:10.1063/5.0171503

Journalinformation: Tillämpade fysikbrev

Tillhandahålls av Skolkovo Institute of Science and Technology