Gli ingegneri della Duke University hanno ideato un nuovo approccio all'utilizzo delle onde sonore per manipolare minuscole particelle sospese in un liquido in modi complessi. Soprannominata una "guida d'onda ombra, " la tecnica utilizza solo due sorgenti sonore per creare un ambiente strettamente confinato, campo acustico spazialmente complesso all'interno di una camera senza richiedere alcuna struttura interna. La tecnologia offre una nuova suite di funzionalità alla piattaforma in rapido sviluppo di pinzette acustiche che ha applicazioni in campi come il controllo delle reazioni chimiche, micro-robotica, consegna farmaci, e ingegneria cellulare e tissutale.

La ricerca appare online il 18 agosto sulla rivista Progressi scientifici .

Le pinzette acustiche sono una tecnologia emergente che utilizza le onde sonore per manipolare piccole particelle sospese nel liquido. Poiché nessun oggetto fisico tocca le particelle, la tecnica è delicata, non offre problemi di biocompatibilità e non richiede etichette, rendendolo una scelta allettante per lavorare con delicate biomolecole.

In ambito biomedico, le pinzette acustiche possono intrappolare, ruotare e spostare particelle o organismi per l'ispezione, smistamento o altre applicazioni. Possono mantenere separati determinati reagenti e sostanze chimiche prima di consentire loro di miscelarsi in quantità precise per controllare le reazioni. La tecnologia fornisce anche una strada per modellare materiali diversi prima di utilizzare un numero qualsiasi di tecniche per fissarli in posizione per creare nuovi tipi di materiali.

Nonostante tutte le sue potenzialità, la tecnologia ha i suoi limiti. La maggior parte delle configurazioni attuali utilizza più sorgenti sonore posizionate attorno a una camera piena di liquido che crea uno schema a scacchiera di aree che possono intrappolare e spostare le particelle in sintonia l'una con l'altra. Ciò rende difficile manipolare le particelle indipendentemente l'una dall'altra o attraverso schemi complessi. Quest'ultimo può essere ottenuto includendo solide strutture di canale all'interno della camera, ma questo può danneggiare le particelle delicate e limitare la velocità con cui i campioni possono essere spostati attraverso il sistema.

Per superare questi limiti, Steve Cummer, il William H. Younger Distinguished Professor of Engineering alla Duke, rivolto a idee ispirate ai metamateriali. I metamateriali sono materiali sintetici composti da molte caratteristiche ingegneristiche individuali, che insieme producono proprietà che non si trovano in natura.

"Volevamo iniettare l'energia delle onde acustiche nella camera e utilizzare una struttura appena fuori dalla camera per controllare la forma delle onde sonore all'interno, " ha detto Cummer. "Il risultato è una sorta di fibra ottica per il suono che modella la propagazione del suono e fa intenzionalmente perdere parte della sua energia nella camera, una sorta di ombra sonora, per controllare le particelle all'interno con canali virtuali".

Nel nuovo giornale, Cummer e Junfei Li, un ricercatore post-dottorato che lavora nel suo laboratorio, in collaborazione con l'innovatore di lunga data di pinzette acustiche Tony Huang, il William Bevan Distinguished Professor of Engineering alla Duke, dimostrare varie capacità del loro approccio alla guida d'onda ombra. Ogni guida d'onda ombra viene creata stampando in 3D uno stampo con caratteristiche specifiche per il controllo delle particelle all'interno della camera. Un tipo di silicone chiamato polidimetilsilossano (PDMS) viene versato in ogni stampo a mezzo tubo con caratteristiche che creano canali all'interno del prodotto finito.

Il PDMS ha proprietà acustiche molto simili all'acqua, che consente alle onde sonore di viaggiare facilmente dalla guida d'onda ombra nella camera. Lo schema dei canali pieni d'aria all'interno del PDMS determina dove e come le onde sonore entrano nella camera, consentendo ai ricercatori di creare un'ampia gamma di campi acustici complessi per controllare le particelle.

Cummer e Li usano questa configurazione per intrappolare e spostare singole microparticelle lungo più percorsi complessi attraverso la camera. E impostando due sorgenti sonore, una alle due estremità della guida d'onda dell'ombra, i ricercatori mostrano che possono pompare particelle lungo un arco che si piega lentamente con una velocità controllata con precisione.

Con questa dimostrazione in mano, i ricercatori stanno ora cercando di aggiungere complessità alla loro invenzione, o rendendo le guide d'onda riconfigurabili dinamicamente o fondendole con altri approcci esistenti alle pinzette acustiche.

"I dispositivi acustici sono molto difficili da rendere riconfigurabili, ma ci piacerebbe trovare un modo per renderlo possibile perché sarebbe un notevole miglioramento nell'usabilità di questa tecnica, " disse Li. "Per ora, stiamo cercando sfide specifiche che potremmo adattare queste guide d'onda ombra per affrontare per passare da una dimostrazione di prova di concetto a un'applicazione più sofisticata".

"Il percorso per l'applicazione potrebbe essere quello di fondere questo con più concetti nel campo, " ha aggiunto Cummer. "L'aggiunta di più sorgenti e strutture sonore per creare più complessità potrebbe essere ciò che ci spinge oltre il limite in alcune applicazioni".