Un team multidisciplinare di ricercatori di Skoltech ha scoperto le frequenze di risonanza dei frustoli di diatomee. Questi gusci di biossido di silicio strutturati in modo intricato di microalghe unicellulari forniscono un modello promettente per dispositivi elettronici e ottici ispirati alla natura, come minuscoli rilevatori di ultrasuoni per imaging medico avanzato e componenti per l'elaborazione ultraveloce del segnale nei microchip del futuro.
Tuttavia, affinché queste entusiasmanti applicazioni possano realizzarsi, sarà necessaria una migliore comprensione delle proprietà della frustola delle diatomee e il recente studio in Applied Physics Letters è un passo importante in questa direzione.
Rappresentando circa un quinto della fornitura di ossigeno della Terra e un quarto della biomassa del pianeta, le alghe diatomee sono un componente principale del plancton e una forma di vita onnipresente che si trova negli oceani, nei corsi d'acqua e nei suoli del mondo.
Il successo evolutivo delle diatomee, con i loro gusci duri e leggeri costituiti da biossido di silicio e contrassegnati da intricati schemi di fori, ha portato gli scienziati a studiarne le proprietà e la struttura e a sfruttarle in una vasta gamma di materiali e beni di consumo, dagli abrasivi per lucidatura dei metalli al dentifricio ai sistemi di depurazione dell'acqua e alle lettiere per gatti. Ora, le applicazioni più tecnologiche attendono il loro turno.
"Questo studio combina simulazioni al computer con un esperimento", ha commentato l'autrice principale dell'articolo, la ricercatrice Skoltech Julijana Cvjetinovic. "Le simulazioni ci hanno permesso di prevedere le frequenze di risonanza delle diatomee nell'intervallo 1-8 MHz e abbiamo utilizzato un microscopio a forza atomica per fornire la prima validazione sperimentale di queste frequenze." Le misurazioni sono state eseguite dal ricercatore senior di Skoltech Sergey Luchkin.
Conoscere le frequenze di risonanza di queste strutture microscopiche è fondamentale per sfruttare la loro progettazione, ottimizzata per natura, in minuscoli dispositivi che combinano parti mobili con l'ottica (circuiti integrati fotonici, o PIC) o con l'elettronica (sistemi microelettromeccanici, detti dispositivi MEMS):i microfoni nei dispositivi portatili, i sensori di pressione nei pneumatici delle auto, gli accelerometri negli strumenti per la realtà virtuale, gli altoparlanti per gli apparecchi acustici intrauricolari, i sensori nel cuore dei sistemi di navigazione degli aerei, ecc.
"In tali dispositivi, le strutture che emulano i gusci di diatomee potrebbero essere utilizzate come componenti primari e, a questo proposito, i nostri risultati sono particolarmente rilevanti per la progettazione di microfoni e altri sensori basati sulle vibrazioni", ha affermato Cvjetinovic. "Ma oltre a ciò, potrebbero servire come smorzatori di vibrazioni. Vedete, in dispositivi che funzionano su scala così piccola, anche vibrazioni relativamente lievi possono influenzare negativamente le prestazioni. E le strutture che imitano i frustoli di diatomee potrebbero mitigare questo problema."
Il co-investigatore principale dello studio, il professore di Skoltech Dmitry Gorin, che dirige il laboratorio di biofotonica di Skoltech, ha approfondito una delle potenziali applicazioni dei microfoni:"Il nostro laboratorio sta perseguendo una tecnica diagnostica medica avanzata chiamata optoacustica, che coinvolge eccitanti vibrazioni ultrasoniche in determinati oggetti —cellule del sangue, capillari, vasi, ecc.—nel corpo con deformazione termica indotta da un impulso laser e quindi individuandone la posizione tramite rilevatori a ultrasuoni molto sensibili."
"Si tratta di una tecnica di imaging precisa e priva di raggi X che potrebbe trarre vantaggio dai rilevatori di ultrasuoni basati su PIC con membrane che emulano gusci di diatomee."
In precedenza, i ricercatori di Skoltech avevano proposto una sonda endoscopica optoacustica per la microchirurgia e la diagnostica medica. Hanno anche utilizzato un microscopio elettronico a scansione in un esperimento impegnativo che ha rivelato come le proprietà meccaniche statiche e dinamiche dei frustoli di diatomee sono correlate alla loro struttura.
Questa conoscenza ha informato la simulazione al computer nel recente articolo in Applied Physics Letters , cosa che sarebbe stata impossibile senza il lavoro teorico pionieristico sul calcolo della frequenza di risonanza delle diatomee da parte del professor Alexander Korsunsky di Skoltech, che è stato anche il co-investigatore principale del nuovo studio.
Le possibilità per continuare questa linea di indagine, secondo il team, includono lo sviluppo di strutture ispirate alle diatomee artificiali e lo studio della loro integrazione nei rilevatori di ultrasuoni basati su PIC come membrane altamente sensibili.
Ulteriori informazioni: Julijana Cvjetinovic et al, Sondaggio dei modi propri vibrazionali nelle frustole di diatomee tramite studio computazionale combinato in silico e sperimentazione al microscopio a forza atomica, Lettere di fisica applicata (2023). DOI:10.1063/5.0171503
Informazioni sul giornale: Lettere di fisica applicata
Fornito da Skolkovo Institute of Science and Technology
