环形谐振器开启了声学镊子的新功能
发布时间：2024-11-27 10:47:22 阅读数： 778
波如何通过环形谐振器装置（左）以及特定频率如何在环形中建立驻波（右）。来源：《科学进展》（2024）。DOI: 10.1126/sciad .ads2654
在过去的几十年间，科学家们巧妙地利用声波来操控微小的粒子，这项技术被形象地称为“声学镊子”。起初，声学镊子只能简单地捕获粒子，但随着时间的推移，它的能力不断增强，如今已经能够在三维空间中精确旋转和移动细胞和生物体。这一突破性的进展使得声学镊子在生物学研究、医学诊断和治疗等领域展现出了巨大的潜力。
在《科学进展》杂志上发表的一项新研究中，杜克大学的工程师们提出了一种全新的方法——使用“环形谐振器”来增强声学镊子的性能?；沸涡痴衿髟谖锢硌Ы缫恢北甘芄刈ⅲ獯?，它是首次被应用于声学镊子中，实现了对粒子的捕获、移动和混合等操作。
声学镊子的工作原理其实并不复杂。当声波在某种流体中传播时，如果声波以相反的方向传播，它们可以同步形成高压和低压的区域，这些区域就像是一个个小小的陷阱，能够捕获并移动粒子。如果声波沿着一个平坦的表面传播，它们可以在一层薄薄的流体中产生驻波，粒子就像是冲浪者一样，沿着这层流体移动。
然而，传统的声学镊子在使用过程中经常遇到电源问题。为了产生足够强的声波来完成任务，它们需要吸收大量的电压，这会导致设备加热，甚至可能损坏脆弱的生物颗粒和生物体。为了解决这一问题，杜克大学的工程师们开发出了环形谐振器。
环形谐振器的工作原理是这样的：声波被集中在两个平行通道的两端，产生驻波。在两个通道之间放置一个环形结构，这个环形结构只允许特定频率的声波通过，就像一个精确的过滤器。当声波与环形结构的共振频率相匹配时，它们会被复合和放大，形成一个比原波更强大的驻波。这个驻波不仅可以在环形结构上产生，还可以在整个装置顶部的一层薄薄的液体中产生，从而捕获各种大小的粒子。
通过调整输入声波的频率，研究人员可以精确控制环形谐振器上的声波振幅，进而控制粒子的移动。他们还可以调制声波的相位，使驻波在环形谐振器周围或沿着通道移动，携带薄层液体中的任何粒子。此外，他们还发现，在环形谐振器与通道相遇的地方，可以实现高度的颗?；旌?。
这项技术的先进之处在于，它不仅能够精确和灵活地操纵声场，还能实现高度精确和复杂的功能，如液体混合、泵送、颗粒分离和目标颗粒传输等。而且，这种设置是高度集成和?？榛?，为扩大声学镊技术在生物、医学和材料科学等领域的潜在应用提供了坚实的基础。
例如，在医学诊断中，声学镊子可以精确地操控细胞和组织样本，为医生提供更准确的诊断信息。在生物学研究中，它可以帮助科学家更好地理解细胞和生物体的行为。在材料科学中，它则可以用于精确控制和组装微小的材料颗粒。
总之，环形谐振器的引入为声学镊子技术带来了革命性的变化，使得这项技术更加精确、灵活和高效。随着研究的不断深入和技术的不断发展，我们有理由相信，声学镊子将在更多领域展现出其巨大的潜力和价值。
