امواج صوتی به‌عنوان یک جایگزین قدرتمند در دستکاری ذرات میکروسکوپی ظاهر شده‌اند که به طور سنتی به موچین‌های نوری وابسته بوده‌اند – فناوری‌ای که توسط برنده جایزه نوبل، آرتور اشکین، پیشگام شده است.
با این حال، این ابزارها برای عملکرد مؤثر به شرایط ثابت و کنترل‌شده نیاز دارند. در مواجهه با محدودیت‌های موچین‌های نوری در محیط‌های پویا، پژوهشگران اکنون به این رویکرد نوآورانه روی آورده‌اند.
تیمی به رهبری رومن فلوری از آزمایشگاه مهندسی موج EPFL، این روش را برای بازتعریف دقت در محیط‌های غیرقابل کنترل با استفاده از اصول شکل‌دهی به شتاب موج هدایت می‌کند.
امواج صوتی چیستند؟
امواج صوتی ارتعاشاتی هستند که از طریق یک محیط مانند هوا، آب یا مواد جامد منتقل می‌شوند. این امواج زمانی ایجاد می‌شوند که یک جسم مرتعش شود و باعث نوسان مولکول‌های اطرافش شود.
این نوسان نواحی فشردگی و تنش را ایجاد می‌کند، جایی که ذرات به هم نزدیک‌تر یا از هم دورتر می‌شوند. این نواحی متناوب به‌عنوان یک موج از طریق محیط منتقل می‌شوند.
امواج صوتی با فرکانس، طول موج و دامنه خود مشخص می‌شوند. فرکانس که با هرتز (Hz) اندازه‌گیری می‌شود، زیر و بمی صدا را تعیین می‌کند؛ فرکانس‌های بالاتر صداهای زیرتری تولید می‌کنند.
طول موج فاصله بین دو نقطه متوالی فشردگی یا تنش است، در حالی که دامنه به ارتفاع موج اشاره دارد که بر بلندی صدا تأثیر می‌گذارد.
انسان‌ها صدا را زمانی درک می‌کنند که این امواج به گوش برسند و باعث ارتعاش پرده گوش شوند. این ارتعاشات سپس توسط گوش داخلی به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل شده و توسط مغز تفسیر می‌شوند و به ما امکان شنیدن و تشخیص صداهای مختلف را می‌دهند.
امواج صوتی به‌عنوان یک ابزار: ساده اما مؤثر
در قلب این روش جدید که به “شکل‌دهی به شتاب موج” معروف است، از امواج صوتی استفاده می‌شود.
تیم تحقیقاتی به رهبری رومن فلوری از آزمایشگاه مهندسی موج EPFL، تکنیکی را توسعه داده است که اجسام را بدون توجه به محیط اطراف یا خواص فیزیکی‌شان حرکت می‌دهد.
تنها چیزی که نیاز است، موقعیت جسم است و امواج صوتی باقی‌کار را انجام می‌دهند، اجسام را به نرمی همان‌طور که ممکن است یک توپ هاکی با یک چوب حرکت دهد، جابه‌جا می‌کنند. این تشبیه در آزمایش‌هایشان به معنای واقعی کلمه به کار گرفته می‌شود.
تصور کنید یک توپ پینگ‌پنگ بر روی آب شناور است و با امواج صوتی قابل شنیدن که از بلندگوها منتشر می‌شوند، حرکت می‌کند. در داخل یک مخزن بزرگ قرار دارد، دوربینی بالاسری موقعیت توپ را ثبت می‌کند، در حالی که امواج صوتی آن را در مسیری از پیش تعیین‌شده هدایت می‌کنند. تعاملات توپ با این امواج صوتی در زمان واقعی تحلیل می‌شود و کنترل دقیقی بر حرکت آن امکان‌پذیر می‌سازد.
گسترش پتانسیل
پژوهشگران تنها به حرکت دادن اجسام کروی اکتفا نکردند. آزمایش‌های آن‌ها همچنین شامل کنترل چرخش اجسام و حرکت دادن اشکال پیچیده‌تری مانند یک نیلوفر اوریگامی بود.
این تکنیک بر اساس اصل حفظ شتاب استوار است، اصلی که این روش را به ساده و چندکاره می‌کند.
این رویکرد ساده اما منعطف است که شکل‌دهی به شتاب موج را به‌عنوان فناوری‌ای امیدوارکننده برای انواع کاربردها معرفی می‌کند.
کاربردهای امیدوارکننده در پزشکی و فراتر از آن پتانسیل این فناوری به شدت به حوزه پزشکی زیستی گسترش می‌یابد، جایی که می‌تواند نحوه ارائه درمان‌ها را متحول کند.
به عنوان مثال، می‌تواند سیستم‌های تحویل دارو را بهبود بخشد و داروها را مستقیماً به سمت مناطق هدف مانند سلول‌های توموری هدایت کند.
این روش جایگزینی غیرتهاجمی ارائه می‌دهد که می‌تواند خطرات روش‌های سنتی تحویل دارو را کاهش دهد.
علاوه بر این، کاربرد این تکنیک در مهندسی بافت می‌تواند از آلودگی یا آسیب‌هایی که اغلب در اثر دستکاری فیزیکی سلول‌ها ایجاد می‌شود، جلوگیری کند.
پژوهشگران همچنین کاربرد آن را در چاپ سه‌بعدی تصور می‌کنند، جایی که می‌تواند ذرات میکروسکوپی را دقیقاً قبل از تبدیل شدن به ساختارهای جامد، مرتب کند.
نگاهی به آینده: امواج صوتی و فراتر از آن
در حالی که تمرکز فعلی بر امواج صوتی است، پژوهشگران معتقدند که اصول شکل‌دهی به شتاب موج می‌تواند به نور نیز اعمال شود و به طور بالقوه دامنه تأثیرات آن‌ها را گسترش دهد.
با حمایت برنامه Spark بنیاد ملی علوم سوئیس، هدف بعدی آن‌ها این است که آزمایش‌ها را از مقیاس کلان به مقیاس میکرو کاهش دهند و از امواج صوتی فراصوت برای حرکت سلول‌ها در زیر میکروسکوپ استفاده کنند.
این تکنیک نوآورانه که با همکاری پژوهشگران بین‌المللی از مؤسسات مختلفی مانند دانشگاه بوردو، دانشگاه نظربایف و دانشگاه فنی وین توسعه یافته است، گامی مهم در دستکاری اجسام در محیط‌های غیرقابل کنترل محسوب می‌شود.
در حالی که تیم به ادامه بهبود و گسترش قابلیت‌های شکل‌دهی به شتاب موج ادامه می‌دهد، پیامدهای آن برای علم و پزشکی افزایش خواهد یافت و مسیرهای جدیدی برای پژوهش و کاربرد در زمینه‌هایی که دقت لطیف بسیار مهم است، باز خواهد کرد.
این مطالعه در مجله Nature Physics منتشر شده است.
