Forskare har avslöjat hur högfrekventa ljudvågor kan användas för att bygga nya material, göra smarta nanopartiklar och till och med leverera läkemedel till lungorna för smärtfritt, nålfria vaccinationer.

Medan ljudvågor har varit en del av vetenskap och medicin i decennier - ultraljud användes först för klinisk avbildning 1942 och för att driva kemiska reaktioner på 1980-talet - har teknikerna alltid förlitat sig på låga frekvenser.

Nu forskare vid RMIT University i Melbourne, Australien, har visat hur högfrekventa ljudvågor skulle kunna revolutionera området för ultraljudsdriven kemi.

En ny recension publicerad i Avancerad vetenskap avslöjar de bisarra effekterna av dessa ljudvågor på material och celler, som molekyler som tycks spontant beställa sig efter att ha blivit påkörda med den soniska motsvarigheten till en semitrailer.

Forskarna beskriver också olika spännande tillämpningar av deras banbrytande arbete, Inklusive:

• Läkemedelsleverans till lungorna —patenterad nebuliseringsteknik som kan leverera livräddande läkemedel och vacciner genom inandning, snarare än genom injektioner
• Läkemedelsskyddande nanopartiklar —kapsla in läkemedel i speciella nanobeläggningar för att skydda dem från försämring, kontrollera deras frisättning över tid och se till att de riktar sig exakt mot rätt platser i kroppen som tumörer eller infektioner
• Banbrytande smarta material — Hållbar produktion av superporösa nanomaterial som kan användas för att lagra, separat, släpp, skydda nästan vad som helst
• Nanotillverkande 2D-material -exakt, kostnadseffektiv och snabb exfoliering av atomärt tunna kvantprickar och nanoark

Ledande forskare Den framstående professorn Leslie Yeo och hans team har ägnat över ett decennium åt att forska i samspelet mellan ljudvågor vid frekvenser över 10 MHz med olika material.

Men Yeo säger att de först nu börjar förstå mängden konstiga fenomen som de ofta observerar i labbet.

"När vi kopplar högfrekventa ljudvågor till vätskor, material och celler, effekterna är extraordinära, " han säger.

"Vi har utnyttjat kraften i dessa ljudvågor för att utveckla innovativa biomedicinska tekniker och för att syntetisera avancerade material.

"Men våra upptäckter har också förändrat vår grundläggande förståelse av ultraljudsdriven kemi - och avslöjat hur lite vi egentligen vet.

"Att försöka förklara vetenskapen om vad vi ser och sedan tillämpa det för att lösa praktiska problem är en stor och spännande utmaning."

Sonic waves:Hur man driver kemi med ljud

RMITs forskargrupp, som inkluderar Dr. Amgad Rezk, Dr Heba Ahmed och Dr Shwathy Ramesan, genererar högfrekventa ljudvågor på ett mikrochip för att exakt manipulera vätskor eller material.

Ultraljud har länge använts vid låga frekvenser – runt 10 kHz till 3 MHz – för att driva kemiska reaktioner, ett område känt som "sonokemi".

Vid dessa låga frekvenser, sonokemiska reaktioner drivs av den våldsamma implosionen av luftbubblor.

Denna process, känd som kavitation, resulterar i enorma tryck och ultrahöga temperaturer – som en liten och extremt lokaliserad tryckkokare.

Men det visar sig att om du ökar frekvensen, dessa reaktioner förändras helt.

När högfrekventa ljudvågor överfördes till olika material och celler, forskarna såg beteenden som aldrig hade observerats med lågfrekvent ultraljud.

"Vi har sett självordnande molekyler som verkar orientera sig i kristallen längs ljudvågornas riktning, " säger Yeo.

"Ljudvåglängderna kan vara över 100, 000 gånger större än en enskild molekyl, så det är otroligt förbryllande hur något så litet kan manipuleras exakt med något så stort.

"Det är som att köra en lastbil genom en slumpmässig spridning av legoklossar, sedan hitta de där bitarna staplade ovanpå varandra - det borde inte hända!"

Biomedicinska framsteg

Medan lågfrekvent kavitation ofta kan förstöra molekyler och celler, de förblir mestadels intakta under de högfrekventa ljudvågorna.

Detta gör dem skonsamma nog att använda i biomedicinska apparater för att manipulera biomolekyler och celler utan att påverka deras integritet – grunden för de olika läkemedelsleveransteknologier som patenterats av RMITs forskningsteam.

En av dessa patenterade enheter är en billig, lätt och bärbar avancerad nebulisator som exakt kan leverera stora molekyler som DNA och antikroppar, till skillnad från befintliga nebulisatorer.

Detta öppnar potentialen för smärtfri, nålfria vaccinationer och behandlingar.

Nebulisatorn använder högfrekventa ljudvågor för att excitera ytan av vätskan eller läkemedlet, genererar en fin dimma som kan leverera större biologiska molekyler direkt till lungorna.

Nebulisatortekniken kan också användas för att kapsla in ett läkemedel i skyddande polymernanopartiklar, i en ettstegsprocess som sammanför nanotillverkning och läkemedelsleverans.

Dessutom, forskarna har visat att bestrålande celler med högfrekventa ljudvågor gör att terapeutiska molekyler kan sättas in i cellerna utan att skadas, en teknik som kan användas i framväxande cellbaserade terapier.

Smarta material

Teamet har använt ljudvågorna för att driva kristallisering för hållbar produktion av metallorganiska ramverk, eller MOF.

Förutspås vara det avgörande materialet för 2000-talet, MOF:er är idealiska för att känna av och fånga ämnen i små koncentrationer, för att rena vatten eller luft, och kan också hålla stora mängder energi, för att göra bättre batterier och energilagringsenheter.

Medan den konventionella processen för att göra en MOF kan ta timmar eller dagar och kräver användning av hårda lösningsmedel eller intensiva energiprocesser, RMIT-teamet har utvecklat en ren, ljudvågsdriven teknik som kan producera en anpassad MOF på några minuter och lätt kan skalas upp för effektiv massproduktion.

Ljudvågor kan också användas för nanotillverkning av 2D-material, som används i otaliga tillämpningar från flexibla elektriska kretsar till solceller.

Skala upp och tänja på gränser

Nästa steg för RMIT-teamet är fokuserade på att skala upp tekniken.

Till en låg kostnad på bara 0,70 USD per enhet, de ljudvågsgenererande mikrochipsen kan produceras med standardprocesserna för masstillverkning av kiselchips för datorer.

"Detta öppnar möjligheten att producera industriella mängder material med dessa ljudvågor genom massiv parallellisering - genom att använda tusentals av våra chips samtidigt, " sa Yeo.

Teamet vid Micro/Nanophysics Research Laboratory, i RMITs School of Engineering, är en av bara ett fåtal forskargrupper i världen som sammanför högfrekventa ljudvågor, mikrofluidik och material.

Yeo säger att forskningen utmanar långvariga fysikteorier, öppnar upp ett nytt fält av "högfrekvent excitation" parallellt med sonokemi.

"De klassiska teorierna som etablerats sedan mitten av 1800-talet förklarar inte alltid det konstiga och ibland motsägelsefulla beteende vi ser - vi tänjer på gränserna för vår förståelse."