הפיזיקה מאחורי הליטציה האקטית והיישומים של ההנדסה שלה

לנטייה אקוסטית, פעם סקרנות מעבדה, התבגרה לטכניקת מניפולציה רבת עוצמה עם שורשים עמוקים בפיסיקה גל רלוונטיות גוברת על פני דיסציפלינות הנדסיות מרובות.על ידי שימוש בגלי קול בעוצמה גבוהה כדי ליצור כוחות כי כוח הכבידה נגד, חוקרים ומהנדסים יכולים להשעות, לסובב ולהסיע אובייקטים קטנים - החל מ טיפות נוזליות ועד דגימות ביולוגיות שבריריות - ללא כל יכולת מגע פיזית.

הפיזיקה של הליטציה האקוסטית

בבסיסו, הסחף האקוסיבי מבוסס על האינטראקציה בין גלי קול וחפצים קטנים במדיום נוזלי – אוויר קדחתני או נוזל.התובנות המרכזיות הן שגלי קול נושאים תנופה ואנרגיה, וכאשר הם נתקלים באובייקט, הם מפעילים כוח הידוע ככוח הקרינה האקוסית.תחת התנאים הנכונים, כוח זה יכול להיות חזק מספיק כדי להתגבר על הכבידה ולקיים אובייקט במצב יציב.

המונחים: wave Formation

השיטה הנפוצה ביותר לייצור מלכודות אקוסטיות יציבות משתמשת ב-FLT:0standing גלים FLT:1 [גל עומד נוצר כאשר שני גלי קול קוהרנטיות נוסעים בכיוון כיוונים מנוגדים להפריע אחד לשני.במשל יחיד טיפוסי יחיד-axis, עובר קול פולט צליל גבוה לעבר גל נוקשה.

דפוס הגל עומד הוא קריטי כי כוח הקרינה האקוסית בגל עומד יש מבנה מרחבי מוגדר היטב.עבור חלקיק ריבועי קטן, הכוח מכוון לעבר צומת לחץ או לחץ נגדנודה, בהתאם לצפיפות ולדחיסות של החלקיק ביחס למשטח שמסביב.רוב חלקיקים מוצקים טיפות נוזליות באוויר הם צפופים יותר ופחות דחוסים מהאוויר, כך שהם נמשכים ללחץ לא לעתים קרובות.

הנוקשות המלכודת – באופן משמעותי הכוח החוזר לעקירת יחידה מאיזון – תלוי בריכוז הלחץ האקוסי, בתדירות ובניגודי הצפיפות והדחיסות בין החלקיק לבין המדיום.הגדלים והדרים הגבוהים יותר מייצרים בדרך כלל מלכודות קשיחות יותר, אך יש מגבלות מעשיות המוטלות על ידי טיפול בכוח טרנסדוקטרי, אפקטים לא לינאריים, וסיכון של קתיטציה בנוזלים.

כוח קרינה אקוסטי

כוח הקרינה האקוסי הוא הכוח הממושך המופעל על ידי שדה קול על חפץ.זה נובע מן הפיזור והקליטת גלי הקול על ידי האובייקט.התאוריה פותחה לראשונה על ידי המלך בשנת 1934 על ידי קינג על תחומים נוקשים בנוזל בלתי מאויש ולאחר מכן הורחב על ידי גור'קוב בשנת 1962 כדי לכלול חלקיקים דחוסים ושדות סאונד שרירותיים.

עבור חלקיק קטן spherical בשדה גל עומד, הפוטנציאל גורקוב צופה כי הכוח הוא פרופורציונלי נפח חלקיקים ואת ⁇ של הלחץ האקוסי amplituded. זה אומר כי חלקיקים גדולים יותר חווים כוחות חזקים יותר, ולכן היטל אקוסטי הוא היעיל ביותר עבור אובייקטים ממיקרומטרים ל כמה מ"מ בגודל.הכוח תלוי גם על הניגודים האקוסטיים, אשר משלבים ואפקטים של דחיסות או דחיסות של דחיסות דחיסות זה הוא היעיל ביותר לכדי דחיסות.

הבנת כוח הקרינה היא חיונית לחיזוי יציבות וקיבולת השיקום.מהנדסים משתמשים במודלים התיאורטיים הללו כדי לעצב טרנסנפורמטים, לבחור תדרי הפעלה, ולייעל את ה-GMAries עבור יישומים ספציפיים.

גור'קוב פוטנציאלי ומלכודת

הפוטנציאל של גורקוב מספק מסגרת חשובה לניתוח היציבות של מלכודות אקוסטיות.בגל חד-ממדי, את המידות הפוטנציאליות ממוקמות בצומת או באנטינודות, בהתאם לגורם הניגודיות.עומק הפוטנציאל קובע היטב כמה חזק המלכודת, כלומר, כמה הפרעה חיצונית - כגון זרימת אוויר או רטט מכני - ניתן לסבול לפני החלקיק נמלט.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

עבור אובייקטים באוויר, כגון טיפות מים, פולימרים beads, או תאים ביולוגיים, הגורם הניגודי האקוסיבי הוא בדרך כלל חיובי, כלומר הם נעים לכיוון צמתים לחץ. עבור אובייקטים בנוזלים, כגון בועות גז או חלקיקים בעלי רגישות נמוכה, הגורם הניגוד יכול להיות שלילי, המוביל למלכודת נגדנודות.זה מאפשר לחוקרים להתאים את ההתקנה עבור חומרים ספציפיים על ידי בחירת תצורה מתאימה ותצורה של שדה סאונד.

יציבות גם תלויה בזרימת אקוסטית – זרימה קבועה המונעת על ידי ספיגת אנרגיה אקוסטית בנוזל.סטרימינג יכול לגרום לכוחות גרר על החלקיק שעלול לערעור את המלכודת או לגרום למחזור איטי בתוך הטיפה הנטועה.במקרים מסוימים, הזרמה מנוצלת כדי לערבב טיפות מוזמנות לתגובות כימיות או כרמזים ביולוגיים.

המונחים: Core mechanism and Setup

מערכות היידוי האקוסיביות דורשות בחירה זהירה של חומרה ותצורה כדי להשיג סחף אמין, חוזר על עצמו.המרכיבים העיקריים הם מחוללי קול, המשקף, האלקטרוניקה הכונן, ולעתים קרובות מערכת מיקום או משוב.

טרנדים

הטרנסנפורמטר הוא לב של ה- levitator.מרבית המערכות משתמשות ב-FLT:0piezoelectric TransducersuaFLT:1Hz אשר ממיר אותות חשמליים בתדרים מכניים בתדרים קוליים - באופן חד-פעמי בטווח של 20 kHz למספר MHz.הבחירה של תדירות כוללת מסחר-off: תדרים גבוהים יותר מייצרים אורכי גל קצרים יותר, המאפשרים קטנים יותר ורזולוציה מרחבית, אך בטווח של מרחק אווירי אווירי-אוויר מקסימלי, הם בטווח של 40, עם פחות, 000, 000, או יותר, הם בטווח של פחות, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000

העיצוב הטרנסנפורמטי, כולל הצורה והגודל של פני השטח הרדיונים, משפיע על הישירות והעוצמה של קרן הקול. שטוח או מעט קורנטורים מכווצים הם אופייניים, ואת הדחף תואם בין הטרנסנפורמטיבי והמדיום חשוב להעברה יעילה באנרגיה.חלק מהמערכות המתקדמות משתמשות במערךים של טרנסנפצים לעצב את השדה האלקטרוני, ומאפשר שליטה דינמית של המיקום ללא חלקים נעים.

סודיות

המשקף ממוקם מול ה- transducer כדי ליצור את הגל עומד.זה חייב להיות שטוח, חלק ונוקשות כדי לשקף את גל הקול ביעילות עם פיזור מינימלי. המרחק בין transducer לבין המשקף קובע את מספר הנקודות בגל עומד חייב להיות מותאם למספר רב של חצי גל כדי להשיג מצב reson. בפועל, זה לעתים קרובות מרחק על ידי מיקרומטר או להסתגל לתדירות קלה.

צורות רפלקורים שונות יכולות לשנות את פרופיל הלחץ. a concave רפיח יכול להתמקד שדה הקול, להגדיל את עוצמת במיקום המלכודת.זה שימושי עבור שטף חפצים גדולים או צפופים יותר. חלק מהעיצובים משתמשים בהשתקפות פתוחה עם חור במרכז כדי לאפשר שילוב דגימות או גישה אופטית.

ראשי התיבות של Single-Axis vs. Multi-Axis Systems

(ההנחיה האקוסטית הפשוטה ביותר) משתמשת בזוג יחיד של טרנסדור-פרטור, יצירת גל חד-ממדי עומד (aFLT:0single-axisFLT:1 יכול ללכוד אובייקטים בצומת לאורך ציר, אבל המלכודת חלשה בכיוון ההפוך, כך האובייקט עשוי לנסח דרכים אם הוא מופרע בשלושה מנגנונים ממדיים,F2-F2-Fon-T) או יותר, כך שברשותוכותל- 2, או יותר, או יותר, יש צורך בגלים, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, כך שהחומרים, או יותר, כך שהאובייקטים, או יותר, או יותר, כך שהאובייקטים, יש צורך בגלמים, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, כך שהאובייקט, או יותר, בין אם הוא בעל שלושה למערכות תלת- 3 למערכות למערכות למערכות למערכות אימפולסים, או יותר, או יותר, כך, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, כך שהאובייקטים, כך שהאובייקט עלול לגרור את שני אימפולסים, כך שעדיין יש צורך בצורות תלת- 3 אימפולסים, כך שעדיין יש

מערךים שלביים הם חזקים במיוחד משום שהם מאפשרים לדבורה אלקטרונית וניווט ללא תנועה מכנית.על ידי שליטה בשלב ואמפורה של כל אלמנט, המערך יכול ליצור מלכודת מסובבת או אפילו מלכודות מרובות לטיפול בו-זמנית כמה אובייקטים.

הנדסה ויישומים תעשייתיים

הסחף האקטי עבר מהפגנות ספסל-על לכלים מעשיים בתחומים מגוונים כמו כימיה אנליטית, תרופות, ביולוגיה וייצור.היעדר קירות מוצקים מבטל את ההנקה המושרה על פני השטח, זיהום ומודעות, מתן סביבה אידיאלית ללמידה ועיבוד חומרים רגישים.

מגעים ללא מגע וייצור

אחת האפליקציות ההנדסיות הישירות ביותר היא הטיפול חסר הקשר של מרכיבים קטנים, שבריריים או רגישים לזיהום. בייצור סמי-מוליכים למחצה, למשל, סיליקון עדין או מיקרוצ'יפס ניתן להרים ולהצבת ללא מאחזים מכניים שעלולים לגרום לשרטוטים או זיהום חלקיקים באופן דומה, בהרכב של מערכות מיקרו-אלקטרוניקה (MEMS), לוטומנטציה אקוסטית וניתן ליישר תחבורה עם חלקים זעירים.

הטכניקה משמשת גם במלכודת אקוסטית:0 (luerless processingveFLT:1) של חומרים.על ידי הפחתת מלוטין במלכודת אקוסטית, החוקרים יכולים ללמוד הגשמה ו קריסטליזציה ללא השפעה של קיר בלתי מוחשי.זה יש יישומים בפיתוח של ⁇ חדשים, משקפיים, קרמיקה מתקדמת עם מבנים מותאמים.

מחקר ביולוגי ורפואה

הסחף האקוסיבי הוא בעל ערך מיוחד בביולוגיה וברפואה, משום שהוא מאפשר מניפולציה של תאים, חיידקים וביו-מולקולטים ללא מגע מכני או החזקה כימית.הכוחות העדין המעורבים אינם בדרך כלל מזיקים לדגימות ביולוגיות עדינות, כל עוד האינטנסיביות האקוסית נשמרת מתחת לסף השעת החשיכה.

הנדסת תאים ו-Tissue Engineering

החוקרים השתמשו בלחישות אקוסטית כדי להרכיב תאים לתוך מצטברים תלת-ממדיים עבור הנדסת רקמות.על ידי נטיעת תאים באמצעות תדירות התופס אותם בצומת, ניתן ליצור טרשת עורקים או מבנים שכבתיים המחקים ארכיטקטורות טבעית.הבנים האלה יכולים להיות נשמרים בתרבות לבדיקת סמים או מחקרים רגנרטיביים.הטכניקה אקוסטית מציעה דרך לא פולשנית לשלוט בדיוק בעמדה התאית לפני שהם יכולים לדבוק זה לזה או לגוון.

ביישום אחר, היטל אקוסטי משמש כדי לטפל ולמקם תאים בודדים לניתוח.לדוגמה, תא יחיד יכול להיות לכוד ולאחר מכן לעבור לאזור זיהוי עבור הדמיה פלואורסנס או microinjection.הטבע ללא מגע מקטין את הלחץ על התא ולהימנע מבעיות של דבקות תאים על פני השטח, אשר יכול לשנות התנהגות.

הסחף האקמי גם מאפשר מחקר של גבישי חלבון בתנאים מיקרו-גרידיים-מבודדים על כדור הארץ. גבישים חלבונים שגדלו ב טיפות מוזמנות לעתים קרובות להציג איכות דיפרנציאלית טובה יותר מאשר אלה שגדלו במיכלים, כי קירות המכולות יכולים לקדם נינקיה בלתי מבוקרת.זה יש השלכות על ביולוגיה מבנית ועיצוב סמים.

יישומים סביבתיים ומרחביים

ביישומים בחלל, הסחף האקוסיבי אטרקטיבי כי הוא עובד ללא כוח הכבידה.במיקרוגרביטטי, חלקיקים יכולים להיות לכודים ומניפולציות עם כוחות נמוכים, מה שהופך אותו קל יותר להרכיב מבנים או לטפל בדגימות.נאס"א הטיסה מכשירים אקוסטיים בתחנת החלל הבינלאומית בניסויים בחומרים ובפיזיקה נוזלית של נאס"א.ה היעדר של משקעים והדבקה במיקרו-כבידה, בשילוב עם הגבלת מגע, מאפשר מחקרים ייחודיים של דינמיקה של תחנת החלל הניפולנסרקורד, ובדיקת החלל ה-ה.

על פני כדור הארץ, יישומים סביבתיים כוללים את ללכוד וניתוח של חלקיקים אוויריים.מלכודת אקוסטית יכולה לרכז חלקיקים אווירוסול מזרם זרימה לניתוח בזמן אמת באמצעות ספקטרוסקופיה.זה רלוונטי ניטור איכות האוויר, זיהוי של אווירוסולים ביולוגיים, ולימוד היווצרות ענן פיזיקה. Acoustic levitation גם מקל על המחקר של evaporation ותגובה כימית בשרירים, אשר יש מצעים יבשים, ריאה, אשר יש ריאה.

שימוש סביבתי נוסף הוא בהפעלה של מים מזוהמים. ⁇ אקוסטית יכולה להתמודד עם טיפות מים המכילים אבקה לניתוח ספקטרוסקופי ללא זיהום מן המכולה.זה מאפשר זיהוי אולטרה רגישות של contaminants עקבות. a review of מיכל ללא מיכל טכניקות ללא מים, כולל שטף אקוסטי, זמין מהמכון הלאומי לבריאות.

כיוונים עתידיים והתקדמות

תחום ההיגוי האקוסיבי ממשיך להתפתח במהירות, מונע על ידי שיפורים בחומרים טרנספורמטיביים, אלקטרוניקה, ומודל חישובי. מגמות מסוימות צפויות לעצב את הדור הבא של מערכות מניפולציה אקוסטיות.

עקבו אחרי Up

מטרה מרכזית היא לדרג את הסחף האקוסיבי לחפצים גדולים יותר ולמחשבה גבוהה יותר.מערכות הנוכחיות בדרך כלל מטפלות בחפצים עד כמה מ"מ בקוטר, אך העבודה האחרונה באמצעות כוח גבוה יותר ועברנים מרובים הפגינה את השטף של חפצים במשקל כמה גרם.זה פותח את האפשרות של טיפול ללא מגע עבור פעילות איסוף תעשייתית ומקומית.

שילוב עם Robotics ואוטומציה

שילוב של הסחף האקוסיבי עם ar בשלים רובוטיים או מערכות משדרות יכול ליצור תא עבודה אוטומטית לחלוטין ללא מגע.לדוגמה, זרוע רובוטית מצוידת עם מערך transducer יכול להרים מרכיב, להעביר אותו לתחנת עבודה, ולשחרר אותו על ידי הפעלת השדה האקוסיבי.

מכשירים ביו-רפואיים

מכשירים חשמליים זעירים שיכולים לפעול בתוך הגוף או במחסניות סטריליות מפותחים עבור יישומים רפואיים.אלה יכולים לשמש למניפולציה לא פולשנית של חלקיקי סמים או ליצירת רקמות לבנות ישירות באתר הפצע. tweezers Acoustic, אשר משתמשים ב- אולטרסאונד ממוקד כדי מלכודות ולהעביר תאים, כבר נחקרים עבור לא מגע תאים ואבחון כמו גם חלקיקים מורכבים, כגון מטענים אופטיים, כגון כוננים תרופות אוטומטיות.

מיקרודיקליקה ומעבדה-on-a-Chip

היגוי Acoustic משולב עם ערוצים מיקרו-השפעה מספק פלטפורמה רבת עוצמה עבור כימיה מבוססת טיפות. טיפות ניתן להשוט, ממוזג, מעורב, פיצול, לנתח ללא קירות מיקרו-ערוציים. זה מבטל את clogging ו- cross-contamination בעיות כי מגיפה מיקרו-השפעה קונבנציונלית. השילוב של אולטרסאונד ומיקרו-חומרים נקרא לעתים acofluidicic, והוא אזור של טכנולוגיות פעיל של Acocist-cocto-copic.

מסקנה

הסחף האקטי הוא טכנולוגיה מתוחכמת ורב-תכליתית המושתלת בפיסיקה של גל יסודי.היכולת לשלוט בחומר ללא מגע באמצעות גלי קול אפשרה ניסויים ותהליכים חדשים על פני מדע והנדסה. ממחקר מדויק של תאים בודדים לעיבוד ללא מיכל של חומרים בעלי ערך גבוה, לוטו אקוסטי מספק גם שיטה נקייה, עדינה, ושליטה עבור מניפולציה של אובייקטים קטנים.