I ricercatori hanno rivelato come le onde sonore ad alta frequenza possono essere utilizzate per costruire nuovi materiali, creare nanoparticelle intelligenti e persino fornire farmaci ai polmoni in modo indolore, vaccinazioni senza ago.

Mentre le onde sonore fanno parte della scienza e della medicina da decenni (gli ultrasuoni sono stati utilizzati per la prima volta per l'imaging clinico nel 1942 e per guidare le reazioni chimiche negli anni '80), le tecnologie si sono sempre basate sulle basse frequenze.

Ora i ricercatori della RMIT University di Melbourne, Australia, hanno mostrato come le onde sonore ad alta frequenza potrebbero rivoluzionare il campo della chimica guidata dagli ultrasuoni.

Una nuova recensione pubblicata su Scienze avanzate rivela i bizzarri effetti di queste onde sonore su materiali e cellule, come le molecole che sembrano ordinarsi spontaneamente dopo essere state colpite con l'equivalente sonoro di un semirimorchio.

I ricercatori descrivono anche in dettaglio varie interessanti applicazioni del loro lavoro pionieristico, Compreso:

• Consegna del farmaco ai polmoni —tecnologia di nebulizzazione brevettata che potrebbe fornire farmaci salvavita e vaccini per inalazione, piuttosto che attraverso iniezioni
• Nanoparticelle antidroga —incapsulare farmaci in speciali nanorivestimenti per proteggerli dal deterioramento, controlla il loro rilascio nel tempo e assicurati che colpiscano con precisione i posti giusti nel corpo come tumori o infezioni
• Materiali intelligenti innovativi —produzione sostenibile di nanomateriali superporosi che possono essere utilizzati per immagazzinare, separato, pubblicazione, proteggere quasi tutto
• Materiali 2-D di nanoproduzione —preciso, esfoliazione rapida ed economica di punti quantici e nanofogli atomicamente sottili

Il ricercatore capo Il distinto professor Leslie Yeo e il suo team hanno trascorso oltre un decennio a ricercare l'interazione delle onde sonore a frequenze superiori a 10 MHz con materiali diversi.

Ma Yeo dice che solo ora stanno iniziando a capire la gamma di strani fenomeni che spesso osservano in laboratorio.

"Quando accoppiamo onde sonore ad alta frequenza in fluidi, materiali e cellule, gli effetti sono straordinari, " lui dice.

"Abbiamo sfruttato la potenza di queste onde sonore per sviluppare tecnologie biomediche innovative e per sintetizzare materiali avanzati.

"Ma le nostre scoperte hanno anche cambiato la nostra comprensione fondamentale della chimica guidata dagli ultrasuoni e hanno rivelato quanto poco sappiamo veramente.

"Cercare di spiegare la scienza di ciò che vediamo e poi applicarla per risolvere problemi pratici è una sfida grande ed entusiasmante".

Onde soniche:come potenziare la chimica con il suono

Il gruppo di ricerca RMIT, che include il dottor Amgad Rezk, Dott. Heba Ahmed e Dott. Shwathy Ramesan, genera onde sonore ad alta frequenza su un microchip per manipolare con precisione fluidi o materiali.

Gli ultrasuoni sono stati a lungo utilizzati a basse frequenze, da circa 10 kHz a 3 MHz, per guidare reazioni chimiche, un campo noto come "sonochimica".

A queste basse frequenze, le reazioni sonochimiche sono guidate dalla violenta implosione di bolle d'aria.

Questo processo, nota come cavitazione, si traduce in enormi pressioni e temperature ultra elevate, come una pentola a pressione minuscola ed estremamente localizzata.

Ma si scopre che se aumenti la frequenza, queste reazioni cambiano completamente.

Quando le onde sonore ad alta frequenza venivano trasmesse in vari materiali e cellule, i ricercatori hanno visto un comportamento che non era mai stato osservato con gli ultrasuoni a bassa frequenza.

"Abbiamo visto molecole auto-ordinanti che sembrano orientarsi nel cristallo lungo la direzione delle onde sonore, "Sì, dice.

"Le lunghezze d'onda del suono coinvolte possono essere superiori a 100, 000 volte più grande di una singola molecola, quindi è incredibilmente sconcertante come qualcosa di così piccolo possa essere manipolato con precisione con qualcosa di così grande.

"È come guidare un camion attraverso una dispersione casuale di mattoncini Lego, poi trovare quei pezzi impilati bene uno sopra l'altro, non dovrebbe succedere!"

Progressi biomedici

Mentre la cavitazione a bassa frequenza può spesso distruggere molecole e cellule, rimangono per lo più intatti sotto le onde sonore ad alta frequenza.

Questo li rende abbastanza delicati da poter essere utilizzati in dispositivi biomedici per manipolare biomolecole e cellule senza comprometterne l'integrità, la base per le varie tecnologie di somministrazione di farmaci brevettate dal team di ricerca RMIT.

Uno di questi dispositivi brevettati è economico, nebulizzatore avanzato leggero e portatile in grado di erogare con precisione grandi molecole come DNA e anticorpi, a differenza dei nebulizzatori esistenti.

Questo apre il potenziale per indolore, vaccinazioni e trattamenti senza ago.

Il nebulizzatore utilizza onde sonore ad alta frequenza per eccitare la superficie del fluido o del farmaco, generando una nebbia sottile in grado di fornire molecole biologiche più grandi direttamente ai polmoni.

La tecnologia del nebulizzatore può essere utilizzata anche per incapsulare un farmaco in nanoparticelle polimeriche protettive, in un processo in un'unica fase che unisce la nanoproduzione e la somministrazione di farmaci.

Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che l'irradiazione delle cellule con le onde sonore ad alta frequenza consente di inserire molecole terapeutiche nelle cellule senza danni, una tecnica che può essere utilizzata nelle terapie cellulari emergenti.

Materiali intelligenti

Il team ha utilizzato le onde sonore per guidare la cristallizzazione per la produzione sostenibile di strutture metallo-organiche, o MOF.

Previsto per essere il materiale determinante del 21° secolo, I MOF sono ideali per rilevare e intrappolare sostanze a concentrazioni minime, per purificare l'acqua o l'aria, e può contenere anche grandi quantità di energia, per realizzare batterie e dispositivi di accumulo di energia migliori.

Mentre il processo convenzionale per realizzare un MOF può richiedere ore o giorni e richiede l'uso di solventi aggressivi o processi energetici intensi, il team RMIT ha sviluppato un pulito, tecnica guidata dalle onde sonore che può produrre un MOF personalizzato in pochi minuti e può essere facilmente scalato per una produzione di massa efficiente.

Le onde sonore possono essere utilizzate anche per la nanoproduzione di materiali 2-D, che vengono utilizzati in una miriade di applicazioni, dai circuiti elettrici flessibili alle celle solari.

Scalare e superare i limiti

I prossimi passi per il team RMIT sono incentrati sull'aumento della tecnologia.

A un costo contenuto di soli $ 0,70 per dispositivo, i microchip che generano onde sonore possono essere prodotti utilizzando i processi standard per la fabbricazione di massa di chip di silicio per computer.

"Questo apre la possibilità di produrre quantità industriali di materiali con queste onde sonore attraverso una massiccia parallelizzazione, utilizzando migliaia dei nostri chip contemporaneamente, "Ha detto.

Il team del Laboratorio di ricerca di micro/nanofisica, nella Scuola di Ingegneria di RMIT, è uno dei pochi gruppi di ricerca al mondo che riunisce onde sonore ad alta frequenza, microfluidica e materiali.

Yeo afferma che la ricerca sfida le teorie fisiche di vecchia data, aprendo un nuovo campo di "eccitazione ad alta frequenza" in parallelo alla sonochimica.

"Le teorie classiche stabilite dalla metà del 1800 non sempre spiegano il comportamento strano e talvolta contraddittorio che vediamo:stiamo spingendo i confini della nostra comprensione".