Levitation mit Ultraschall

  • 29. October 2015

Akustisches Hologramm hält Teilchen in der Luft, bewegt und dreht sie.

Forscher der University of Bristol können Plastik­kügelchen mit Ultraschall in der Luft schweben lassen und bewegen. Anders als bei bisherigen akustischen Levitations­verfahren werden die Teilchen nur von einer Seite beschallt. Dazu haben Asier Marzo und seine Kollegen quadratische oder kreisförmige Anordnungen von bis zu 400 zentimeter­großen Laut­sprechern gebaut, die Ultraschall mit einer Frequenz von 40 Kilohertz erzeugten. Die von den Lautsprechern ausgehenden Schallwellen hatten eine einheitliche Amplitude, doch ihre Phasen konnten einzeln elektronisch gesteuert werden.

Abb.: Eine phasengesteuerte Lautsprecheranordnung lässt ein kleines Plastikkügelchen in der Luft schweben und sich in gewünschter Weise bewegen. (Bild: A. Marzo et al.)

Abb.: Eine phasengesteuerte Lautsprecheranordnung lässt ein kleines Plastikkügelchen in der Luft schweben und sich in gewünschter Weise bewegen. (Bild: A. Marzo et al.)

Dadurch wurde die Lautsprecheranordnung zu einem akustischen Hologramm, über dem sich ein Schallfeld mit der gewünschten räumlichen Verteilung für den Druck und die Schallschnelle aufbauen ließ. Die Forscher haben ein Optimierungs­verfahren entwickelt, mit dem sie Schallfelder erzeugen konnten, deren Druck und Schallschnelle an bestimmten Raumpunkten minimal waren.

Das Schallfeld konnte in diesen „stillen“ Raumpunkten einzelne Teilchen festhalten, die den „lauten“ Bereichen des Schallfeldes auszuweichen versuchten. Solch ein Minimum ließ sich deshalb zum Zentrum einer Teilchenfalle machen, das dem „dunklen“ Fokus einer optischen Falle entsprach, mit der man „lichtscheue“ Partikel festhalten kann.

Mit ihrem Ultra­schall­hologramm haben die Forscher drei verschiedene Typen von akustischen Fallen hergestellt, bei denen das „stille“ Zentrum von unterschiedlich geformten Schallfeldern umgeben war. Bei der Zwillings­falle wurde ein einzelnes Teilchen zwischen zwei nebeneinander liegenden fingerförmigen Bereichen hoher Schallintensität eingeklemmt und festgehalten. Solch eine Falle ist eine Neuheit, da sie bisher weder für Licht- noch für Schallfelder realisiert werden konnte.

Bei der Vortexfalle wurde das Teilchen in horizontaler Richtung von einem ringförmigen Bereich hoher Schallintensität festgehalten. Hier hatte das Schallfeld eine Phasenverteilung, die den Fokus schraubenförmig umgab. Und bei der Flaschenfalle wurde das Teilchen von allen Seiten von Bereichen hoher Schallintensität umgeben und war wie in einer Flasche gefangen.

Indem die Forscher die Phasen der einzelnen Lautsprecher gezielt veränderten, konnten sie den Fokus der jeweiligen akustischen Falle verschieben und damit das in ihm gefangene Teilchen in radialer Richtung wie auch quer dazu bewegen. Ließen sie die beiden Finger der Zwillingsfalle um die Längsachse kreisen, so konnten sie ein in ihr gefangenes asymmetrisches Teilchen in Rotation versetzen. Dabei erreichten sie 128 Umdrehungen pro Minute.

Die Forscher konnten auch Schallfelder erzeugen, die mehrere Fallen enthielten, in denen einzelne Teilchen saßen. Ließ man die Fallen miteinander verschmelzen, so konnten die Partikel an einem gewünschten Raumpunkt zusammengeführt werden. Dadurch ergaben sich vielfältige Manipulations­möglichkeiten.

Bisher haben die Forscher ihre akustischen Fallen nur mit Plastikkügelchen in Luft erprobt. Es sollten sich aber auch Teilchen aus anderen Materialien, die sich in Flüssigkeiten befinden, mit ihnen festhalten und bewegen lassen. Der Fokus einer Falle konnte bis zu 40 Millimeter von der Lautsprecheranordnung entfernt sein. Mit stärkeren Lautsprechern und in anderen Medien ließen sich aber auch größere Distanzen erreichen.

Ein großer Vorteil der neuen akustischen Falle liegt darin, dass die Beschallung nur von einer Seite erfolgt. So muss das Medium, in dem die Partikel levitiert und bewegt werden sollen, nicht zwischen Lautsprechern eingeschlossen werden, wie das bisherig bei akustischen Fallen nötig war.

Indem man die Lautsprecher direkt auf die Haut eines Patienten aufsetzt, könnte man kleine Objekte im Innern seines Körpers durch Ultraschall in Bewegung setzen und an einen gewünschten Ort bringen. Dabei könnte es sich beispielsweise um Wirkstoffkapseln, Nierensteine oder mikrochirurgische Instrumente handeln.

Rainer Scharf

DE

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