Vooraf bepaalde paden: bewegende objecten met geluidsgolven

AmsterdamIn 2018 ontving Arthur Ashkin de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor zijn uitvinding van optische pincetten. Dit zijn laserstralen die kleine deeltjes kunnen beheersen, maar speciale omstandigheden vereisen om te functioneren. Optische pincetten vangen deeltjes door middel van een geconcentreerde lichtstraal. Het is echter lastig om deze lichtstraal te creëren en te verplaatsen wanneer er andere objecten in de buurt zijn.

Romain Fleury, hoofd van het Laboratorium voor Golftechniek aan EPFL, wilde objecten in verschillende omgevingen verplaatsen. Samen met onderzoekers Bakhtiyar Orazbayev en Matthieu Malléjac werkte Fleury vier jaar aan een methode om objecten met geluidsgolven te verplaatsen. Deze techniek, genaamd wave momentum shaping, is eenvoudig en afhankelijk niet van de omgeving of fysieke kenmerken van het object. Ze hoeven alleen maar te weten waar het object zich bevindt. De geluidsgolven doen de rest.

Belangrijkste Punten:

• Gebruikt geluidsgolven om objecten te verplaatsen
• Functioneert in ongecontroleerde, dynamische omgevingen
• Gebaseerd op behoud van momentum
• Gepubliceerd in Nature Physics

In hun experimenten verplaatsten ze objecten in plaats van ze vast te leggen. Deze methode werd gefinancierd door het SNSF Spark-programma van het Zwitserse Nationale Wetenschapsfonds. Onderzoekers van de Universiteit van Bordeaux, Nazarbayev Universiteit en de Technische Universiteit Wenen werkten samen.

Tijdens de labexperimenten werd een pingpongbal op het oppervlak van een grote watertank geplaatst, waar het bleef drijven. Een camera boven de tank registreerde de positie van de bal. Aan beide uiteinden van de tank zonden luidsprekers geluidsgolven uit om de bal langs een specifieke route te verplaatsen. Microfoons namen de weerkaatste geluidsgolven van de bal waar, wat resulteerde in een gegevenspatroon bekend als een verstrooiingsmatrix.

Lees ook:

Vandaag · 19:44

Naar een geïntegreerd energieplan: op weg naar nul uitstoot

De onderzoekers maakten gebruik van de verstrooiingsmatrix en cameragegevens om de optimale manier te vinden om geluidsgolven te beheersen zodat de bal in beweging blijft. Deze eenvoudige en veelzijdige aanpak toont veel potentieel. Fleury gaf aan dat de methode werd geïnspireerd door een techniek uit de optica om verstrooid licht te focussen. Dit was de eerste keer dat dit idee werd gebruikt om een object te verplaatsen.

De methode kan ook rotaties beheersen en complexere objecten verplaatsen, zoals een gedetailleerd papieren model. Vervolgens voegden ze barrières toe aan het systeem om te testen hoe het omgaat met oneffen omstandigheden. Het succesvol leiden van de bal rondom deze hindernissen bewees dat de techniek ook werkt in veranderlijke omgevingen, zoals binnen het menselijk lichaam.

Geluid in de geneeskunde: veilig en effectief

Geluid is nuttig in de geneeskunde omdat het veilig en zacht is. Sommige methoden voor medicijnafgifte maken gebruik van geluidsgolven om medicijnen in het lichaam vrij te geven. Dit kan medicijnen direct op tumorcellen richten. De techniek kan ook nuttig zijn voor het bestuderen van biologie of het ontwerpen van weefsels, omdat het mogelijk maakt cellen te controleren zonder ze te beschadigen of verontreinigingen toe te voegen.

Fleury is enthousiast over 3D-printen. Dit proces kan kleine deeltjes op specifieke posities plaatsen en ze vervolgens omzetten in vaste objecten. De onderzoekers denken dat dit ook met licht kan werken. Hun volgende stap is om op een kleinere schaal te werken. Ze hebben financiering van het SNSF ontvangen om te proberen cellen onder een microscoop te verplaatsen met behulp van ultrasone golven.