Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktualita z fyziky: Nové využití fotoakustického jevu

Srdcem nového ultrazvukového generátoru je válec z průhledného materiálu vyrobený 3D tiskem. Jeden konec válce je rovný, zatímco na druhém jsou 3D tvary zvolené tak, aby vytvořily ultrazvukovou vlnu v požadovaném tvaru (obrázek: M. D. Brown, D. I. Nikitichev, B. E. Treeby, B. T. Cox)

Fyzici z University College London našli nový způsob, jak pomocí světla a 3D tiskárny vytvářet speciálně tvarované ultrazvukové pulzy. Ty by mohly plnit široký rozsah úloh od manipulování s biologickými buňkami až po dopravu léků do těžko přístupných částí těla.

Při tzv. fotoakustickém jevu dochází k buzení zvukové vlny optickým zářením dopadajícím na pevnou nebo kapalnou látku. Vědci tohoto efektu využili ve 3D tištěném materiálu a přišli na to, jak tvarovat ultrazvukové pulzy.

Ultrazvuk je akustické vlnění o frekvenci vyšší než přibližně 20 kHz. Znám je hlavně tím, že umožňuje nahlédnout dovnitř lidského těla. Ultrazvukové vlny se dají používat v lékařské diagnostice a při léčení, pro zobrazování různých průmyslových produktů i v chemii.

Fyzici nedávno vyvinuli akustický vlečný paprsek a pinzetu pro nekontaktní manipulaci s velmi malými objekty. Akustický vlečný paprsek může levitovat, otáčet nebo posunovat různé objekty v prostoru bez potřeby speciální elektroniky. Namísto elektroniky využívá akustické čočky, jež mohou být vytvořeny souborem 3D tištěných buněk nebo tvarovaného povrchu, který vytváří akustické pole potřebného tvaru.

Ultrazvuk je obvykle generován přivedením elektrického signálu na piezoelektrický převodník. Složitě a přesně tvarované ultrazvukové signály mohou být tvořeny polem převodníků, ale schopnost vytvářet některé velmi komplikované tvary signálu vyžadují mnoho komponent, takže takový ultrazvukový generátor je velmi nákladná záležitost.

Nová technologie britských fyziků využívá k vytváření ultrazvukových vln světelný signál, jako je třeba laserový pulz. Právě zde se uplatňuje zmíněný fotoakustický jev. Světelná energie je využívána k ohřevu části objektu, který lokálně expanduje. Tím se spuštějí vibrace, které se šíří od povrchu materiálu jako zvukové vlny. Přesný tvar ultrazvukové vlny je definován 3D formou povrchu fotoakustického materiálu.

Aby bylo možné vytvořit povrch, který formuje specifický tvar ultrazvukové vlny, vyvinul britský tým algoritmus, podle něhož lze spočítat 3D profil povrchu. Ten je potřebný pro vytvoření požadovaného ultrazvukového signálu. Algoritmus umožňuje přesně řídit intenzitu zvuku v různých místech a v časech, ve kterých zvuk přichází. Tímto způsobem se dají rychle a snadno vytvořit povrchy nebo akustické čočky vhodné pro požadované aplikace.

Srdcem nového ultrazvukového generátoru je válec z průhledného materiálu vyrobený 3D tiskem. Jeden konec válce je rovný, zatímco na druhém jsou 3D tvary zvolené tak, aby vytvořily ultrazvukovou vlnu v požadovaném tvaru. Britský tým při prvních zkouškách zvolil číslici „7“. Tvarovaný povrch byl potom pokrytý černou barvou, která zajišťuje vysokou absorpci světla.

K vytvoření ultrazvukového pulzu je potřeba laserový pulz, který je zaměřen na plochou stranu válce. Světlo se šíří válcem, až narazí na barvu na povrchu opačné strany válce, odkud jsou vysílány ultrazvukové vlny do nádoby s vodou, která obsahuje detektor ultrazvuku.

Použitím této sestavy byli britští fyzici schopni vytvořit a detekovat ultrazvukové vlny ve zmíněném tvaru číslice „7“. Stejně jako vytváření pulzů s komplikovaným tvarem, je i pomocí tohoto zařízení možno vytvářet velmi intenzivní ultrazvukové pulzy. Jedním z užitečných důsledků fotoakustického jevu je skutečnost, že počáteční tvar zvuku, který je generován, je určen v místě, kde je absorbováno světlo. To se dá využít k vytváření přesně fokusovaných intenzivních zdrojů zvuku pouze nanesením optické absorpční látky na konkávní povrch, který funguje jako čočka.

Ultrazvukový generátor nabízí řadu možných aplikací. Jedna z nich spočívá ve vytvoření akustické pinzety, která může manipulovat s živými buňkami nebo jinými choulostivými objekty bez fyzického kontaktu. Další z možných využití je cílená doprava léků do těžce přístupných míst v lidském těle, například do nádoru, kdy se příslušný lék uzavře do malých bublinek, jež se otevřou pouze po vystavení ultrazvukovému signálu.

Technika může být použita také ke korekci zkresleného signálu, který procházel tkání nebo jiným materiálem. Pokud je struktura materiálu předem známá, může být sestrojen ultrazvukový generátor, který toto zkreslení kompenzuje. Britský tým se zabýval také potřebnou intenzitou laserového záření. Protože byl limitován právě velikostí výkonu, použil zatím jen pulzní laser. Do budoucna je však jeho cílem generovat ultrazvuk kontinuálním optickým signálem.

Původní práce byla uveřejněna v Applied Physics Letters.


Mohlo by vás zajímat:

Vědci vyvinuli nový materiál, který dokáže blokovat symetrii pohybu
Třicet let pozorování Supernovy 1987A
Magnetické skyrmiony a umělé neurony
Žabí jazyk jako inspirace pro nové technologie

Kompletní archiv Aktualit z fyziky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop