您當前的位置:首頁 > 軍事天地 > 正文

聲學鑷子:用聲波“搬運”微小粒子

來源: 人民網軍事頻道——解放軍報 編輯:唐慶 2019-06-21 09:49:51  

國防科技大學氣象海洋學院博士高東寶為您講述——

聲學鑷子:用聲波“搬運”微小粒子

聲學鑷子基本原理示意圖

它是一種無形的“鑷子”,性能超越光學鑷子

它用聲輻射力來操控微小顆粒,“運”物無聲

它一旦應用于軍事,將展現出超乎想象的潛力

無形的它追隨光學鑷子而來

對于那些肉眼看得見卻用手抓不住的細小物體,普通鑷子是一種很好的輔助工具。如果是那些看不見摸不著的物體,如細胞或分子級大小的顆粒,普通鑷子就無能為力了。隨著生物技術、新材料技術等高新技術的發展,對細胞、分子級或納米級微小物體的移動和操控,就成為擺在科學家面前的一道難題,呼喚突破傳統認知的新工具,創造出能夾取微小物體的新鑷子。

需要激發創新。1986年,物理學家阿斯金開始研究神奇的光學鑷子技術:他利用光輻射壓原理,用激光來移動操縱原子、分子和生物細胞,并將技術推廣到生物學領域,有效促進了相關科技的發展。32年后,阿斯金的“光學鑷子及其在生物系統的應用”,獲得2018年諾貝爾物理學獎。

但由于受基本原理的限制,光學鑷子的應用仍存在諸多局限性。因為光學鑷子以激光為動力源,其系統本身的尺寸不可能太小,又由于激光穿透性有限,光學鑷子只能應用于透明介質。再者,激光源強度較大,運用時會對背景介質或細胞微粒產生損傷。

那么,還有沒有比光學鑷子更好的鑷子呢?

只有想不到,沒有做不到。一種用聲音來移動和操控細胞或微小顆粒的技術真的產生了。這就是聲學鑷子。

從理論發展的歷程來看,提出聲學鑷子的概念,最早可追溯到1991年。在阿斯金提出光學鑷子概念5年后,佛蒙特大學的吳君汝教授受其啟發,在實驗中利用兩束聚焦聲波產生的駐波場,實現了對270微米直徑的乳膠粒子和一團青蛙卵的捕獲及移動,首次證明了聲學鑷子的可行性。此后,科研人員分別從原理、裝置及應用等多方面,對聲學鑷子技術進行了拓展和推動,使其向著操控精度更高、系統更成熟、實用性更強等方向發展。

神奇特性令世人刮目相看

與光學鑷子不同,聲學鑷子是利用聲輻射力原理來捕獲和控制微小粒子的一種前沿技術。聲波的能量雖小,但是其單位輸入下的輻射力可達激光的10萬倍。此外,聲波是一種彈性波,可在包括流體、固體等任何介質內傳播,不受介質透明性、電磁特性等影響。其能量和工作頻率與醫學領域的超聲成像系統參數相當,可實現對單個細胞或納米顆粒的操控,并確保生物體和目標粒子的安全。

從原理上來看,聲學鑷子可分為駐波型、行波型和聲流型3種。

駐波型聲學鑷子,是通過多束聲波相互疊加,在聲場中產生強弱分布的駐波場,壓力最大的一系列點稱為波腹,壓力為零的點則稱為波節。只要聲源特性不變,波腹和波節的位置就不會改變。這樣,當一個微小顆粒或單個細胞落入這樣的聲場中,在聲學輻射力的作用下,就將被“推”到波腹或波節位置,并“鎖定”在那里,被“鑷子”牢牢夾住。然后,通過聲源調節來改變波腹和波節的分布,從而將其移動到想要的位置。它還可通過粒子特性與聲源之間的相互關系,改變聲場特性,控制一個區域內微小粒子或單個細胞的篩選和分類。

行波型聲學鑷子,是通過不同聲場產生方式形成穩定的壓力波節,從而捕獲和控制目標粒子或單個細胞;而聲流型聲學鑷子,則是利用微氣泡或微結構的振蕩,在聲場中產生較強的聲輻射力,從而實現對其中的細胞、微粒和微組織的控制。

聲學鑷子操控的微粒,最小的尺寸可到1微米左右。從維度來看,既可實現一維和二維空間粒子的排列組合,也能實現粒子在三維空間的移動變換。目前的科學實驗,已實現對塑料微球顆粒、牛血細胞等微小顆粒的操控,甚至能對毫米尺度的線蟲生物體進行捕獲、移動和拉伸等控制。

從原理上講,由于聲波波長尺度跨度很大,在一定條件下,聲學鑷子可實現對超過厘米級粒子的大尺度粒子及其結構的捕獲和控制。它不但可控制微小粒子,還可對流體介質產生影響,對形成特定的流場環境有很大的價值。

應用潛力將助推軍事變革

作為一種新興前沿技術,聲學鑷子目前尚處于理論研究階段,一些技術難點有待突破。但正因其擁有的神奇功能和研發潛力,讓科學家們信心十足。尤其是世界科技強國,在這方面投入了大量人力、物力進行研究,其相關實驗已取得重要進展。

在生物醫學領域,聲學鑷子對生物組織和目標粒子具有良好的安全性和操控性,它可將藥物分子定向運輸到病變部位,又不會對其他生物組織器官造成影響和損傷,從而實現精準快速的治療。聲學鑷子還可通過不同聲波場的疊加,對不同細胞群進行分離、篩選和分類,實現對單個細胞特性和生長過程的觀察控制。因此它在治療腫瘤等重大疾病方面具有先天優勢,或對促進相關重大醫學研究和提高人類健康水平帶來革命性突破。

在新材料領域,聲學鑷子可通過對單個粒子運動狀態的精確控制,科學合理搭配材料分子組成,如3D打印般制造出各種高精度的新型分子結構,并能實現對結構特性的完全自主控制,從而研發出人們所需要的高性能納米材料和智能材料,促進新材料技術和人工智能技術的進步。

未來,隨著聲學超構材料技術等前沿技術的發展,聲學鑷子技術將實現重大突破,必將促進軍事技術發展,對新軍事變革產生重大影響。

——聲學鑷子可用來完成分子級高精度微型結構的加工制造,為微型無人機、迷你機器人、發動機高精度部件等高精尖武器裝備和核心部件的研發,開辟新途徑、提供新手段。

——利用聲學鑷子對粒子運動狀態的精確控制和“如你所愿”的合理搭配,研制性能更好、抗腐蝕性更強的新型軍用涂料,提高戰機、艦艇等武器裝備的隱身性能和防腐蝕能力。

——聲學鑷子對生物細胞和藥物分子良好的安全操控性,將會促進戰場快速醫療等技術的發展。

——聲學鑷子可對流體介質產生影響,將對戰場環境建設提供新思路。

——聲學鑷子可通過對海洋戰場環境的干擾和再造,實現對敵方目標運動軌跡的干擾和控制,在未來海上作戰應用中堪當大任。(記者 王握文 通訊員 張亮永)

主管:中共銅陵市委宣傳部 主辦:銅陵日報社 地址:安徽省銅陵市淮河大道北段358號
版權為 銅陵新聞網 www.xrwuvs.live所有 未經同意不得復制或鏡像
皖ICP備05012973號 [皖網宣備08004號]
聯系電話:0562-2862152 違法和不良信息舉報電話:0562-2876599 郵箱:[email protected]
猴子爬树投注