Исследование появится в Интернете 18 августа в журнале Science Advances.
Акустические пинцеты – это новая технология, в которой звуковые волны используются для управления мелкими частицами, взвешенными в жидкости.

Поскольку ни один физический объект не соприкасается с частицами, этот метод щадящий, не вызывает проблем с биосовместимостью и не требует этикеток, что делает его заманчивым выбором для работы с хрупкими биомолекулами.
В биомедицинской сфере акустический пинцет может улавливать, вращать и перемещать частицы или организмы для проверки, сортировки или других применений. Они могут разделять определенные реагенты и химические вещества, прежде чем позволить им смешиваться в точных количествах для контроля реакций. Эта технология также предоставляет возможность для моделирования различных материалов перед использованием любого количества методов для их фиксации на месте для создания новых типов материалов.

Несмотря на весь свой потенциал, у технологии есть свои ограничения. В большинстве современных установок используется несколько источников звука, размещенных вокруг камеры, заполненной жидкостью, которая создает шахматный узор из областей, которые могут улавливать и перемещать частицы синхронно друг с другом. Это затрудняет управление частицами независимо друг от друга или с помощью сложных шаблонов. Последнее может быть достигнуто за счет включения структур твердых каналов в камеру, но это может повредить хрупкие частицы и ограничить скорость перемещения образцов через систему.

Чтобы преодолеть эти ограничения, Стив Каммер, William H. Младший заслуженный профессор инженерии в Duke обратился к идеям, вдохновленным метаматериалами. Метаматериалы – это синтетические материалы, состоящие из множества индивидуальных инженерных характеристик, которые вместе создают свойства, не встречающиеся в природе.

«Мы хотели ввести энергию акустической волны в камеру и использовать структуру снаружи камеры, чтобы контролировать форму звуковых волн внутри», – сказал Каммер. «Результат похож на оптическое волокно для звука, которое формирует распространение звука и намеренно пропускает часть своей энергии в камеру – своего рода звуковую тень – для управления частицами внутри с помощью виртуальных каналов."
В новой статье Каммер и Джунфэй Ли, доктор наук, работающий в его лаборатории, в сотрудничестве с давним новатором в области акустических пинцетов Тони Хуангом, заслуженным профессором инженерии Уильяма Бевана в Duke, демонстрируют различные возможности своего подхода с использованием теневого волновода. Каждый теневой волновод создается путем 3D-печати формы с особенностями, специфичными для управления частицами внутри камеры. Тип силикона, называемый полидиметилсилоксаном (ПДМС), заливается в каждую полутрубную форму с элементами, которые создают каналы в готовом продукте.

PDMS имеет акустические свойства, очень похожие на воду, что позволяет звуковым волнам легко проходить из теневого волновода в камеру. Схема наполненных воздухом каналов в PDMS определяет, где и как звуковые волны входят в камеру, что позволяет исследователям создавать широкий спектр сложных акустических полей для управления частицами.

Каммер и Ли используют эту установку для захвата и перемещения отдельных микрочастиц по множеству сложных путей через камеру. И, установив два источника звука – по одному на обоих концах теневого волновода – исследователи показали, что они могут качать частицы по медленно изгибающейся дуге с точно контролируемой скоростью.
Имея в руках эту демонстрацию, исследователи теперь стремятся усложнить свое изобретение, либо сделав волноводы динамически реконфигурируемыми, либо объединяя его с другими существующими подходами к акустическим пинцетам.
«Акустические устройства очень сложно сделать реконфигурируемыми, но мы хотели бы найти способ сделать это возможным, потому что это значительно улучшило бы удобство использования этой техники», – сказал Ли. «На данный момент мы ищем конкретные проблемы, для решения которых мы могли бы адаптировать эти теневые волноводы, чтобы перейти от демонстрации концепции к более сложному применению."
«Путь к применению может заключаться в объединении этого с несколькими концепциями в этой области», – добавил Каммер. "Добавление нескольких источников звука и структур для создания большей сложности может подтолкнуть нас к крайностям в некоторых приложениях."

Это исследование финансировалось Управлением военно-морских исследований (N00014-13-1-0631), грантом Emerging Frontiers in Research and Innovation от Национального научного фонда (1641084), грантом CMMI от Национального научного фонда (1951106) и Национальные институты здравоохранения (R01GM132603, U18TR003778, UG3TR002978).