Ученые Томского политехнического и Томского государственного университетов вместе с коллегами из Испании смоделировали, а затем и экспериментально подтвердили существование нового типа криволинейных акустических волновых пучков — акустических крючков. Они представляют собой искривленную акустическую струю и обладают важным свойством: изгибаются на расстоянии меньше длины волны. Это позволяет рассматривать их как перспективный инструмент для манипуляции частицами с помощью ультразвука на очень маленьком расстоянии — на субволновом уровне. Подобные манипуляции необходимы в биомедицинских исследованиях, при синтезе новых материалов.
Фото: Томский политехнический университет
Фото: Томский политехнический университет
Прежде ученым был известен лишь один тип искривленных оптических лучей — пучки Эйри и их производные. Их впервые получили в 2007 году. Физические свойства пучков позволяют их использовать как раз для управления мелкими частицами, что интересно для микрофлюидики и клеточной биологии. Получение таких пучков требует достаточно сложного оборудования. Поэтому исследователи в разных странах ищут новые типы искривленных пучков, которые можно было бы получать значительно проще.
«Поиск принципов создания новых искривленных пучков — это интересная современная область исследований, открывающая широкие перспективы как с фундаментальной точки зрения, так и с практической. В 2018 году наш авторский коллектив теоретически предсказал существование нового типа искривленного самоускоряющегося светового луча, по форме напоминающего крючок. Мы его так и назвали в опубликованных работах — фотонный крючок. Здесь речь идет об искривленной электромагнитной волне. И возник вопрос: могут ли такие кривые пучки формироваться из акустической волны? В новой статье мы утвердительно ответили на этот вопрос. И получать такой акустический крючок несравнимо проще, чем пучки Эйри»,— говорит руководитель проекта, профессор отделения электронной инженерии ТПУ Игорь Минин.
Для получения акустического крючка исследователи использовали микрочастицу из диэлектрического материала рексолит с важной особенностью — несимметричной формой. Эту частицу в ходе экспериментов помещали в воду и облучали ультразвуком. Проходя через частицу такой формы, звуковая волна на выходе из частицы искривлялась в форме крючка. Проводились эксперименты на базе Политехнического университета Валенсии (Испания).
«Основная область применения акустических крючков на сегодня — это биомедицина, синтез новых материалов, управление перемещением наночастиц с помощью ультразвука с высокой субволновой точностью. Они могут быть использованы в тех условиях и с теми частицами, для которых другие типы криволинейных акустических пучков типа Эйри не подходят,— отмечает Игорь Минин.— В дальнейшем мы планируем провести эксперименты, в которых попробуем использовать акустические крючки непосредственно для манипуляции частицами».
Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Программы повышения конкурентоспособности Томского политехнического университета.