Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Буря в капле

Акустическая волна, если ее удержать в двухмерных рамках, может многое контролировать

Гульельмо Маркони получил всемирное признание не только как один из изобретателей радио, у него было немало и других важных открытий. Во время работы морским инженером на трансатлантических рейсах он обнаружил, что происходит, когда на практике удается «отключить» одну из размерностей физического пространства. Фото: National Photo Company Collection из архива Библиотеки Конгресса США

Один из наиболее часто оспариваемых в нашей стране нобелевских лауреатов, Гульельмо Маркони (Guglielmo Marchese Marconi, 1874—1937), получил свою награду за изобретение радио. Его российский конкурент А. С. Попов (1859–1905/6) признания не получил и остался практически не известным за пределами нашей страны. Однако изобретение радио — не единственная заслуга Маркони перед наукой. Экспериментировать с радиоволнами он начал в 1894 году, когда работал инженером на трансатлантических кораблях. К 1901 году он научился измерять, насколько сильно уменьшается сигнал по мере удаления приемника от передатчика, и обнаружил при этом некоторую странность.

В соответствии с законом сохранения энергии плотность потока радиоизлучения на данном расстоянии от источника должна быть обратно пропорциональна площади сферы, окружающей источник. То есть при удалении от излучающей антенны передатчик зафиксирует ослабление сигнала обратно пропорциональное квадрату расстояния. Волновой фронт имеет сферическую форму, а такая волна называется пространственной, или объемной (3D). Такой она бы и была, если бы и антенна, и передатчик находились в вакууме. А когда антенна приемника стоит на берегу, а передатчик медленно уплывает по Атлантике, мощность сигнала, как обнаружил Маркони, убывает обратно пропорционально логарифму расстояния. Это очень медленное ослабление, благодаря чему радиосвязь оказалась гораздо более надежной в условиях открытого моря, чем можно было надеяться.

Причина была в том, что в использованном Маркони диапазоне атмосфера не прозрачна для радиоволн и они, почти не поглощаясь, возвращаются к поверхности. Отраженные волны складываются (интерферируют) с падающими, и волновой фронт имеет уже не сферическую, а цилиндрическую форму. Такую волну называют поверхностной, или двухмерной (2D), потому что именно таким был бы радиосигнал в двухмерном пространстве. В результате Маркони сделал очень важное открытие, широко используемое сейчас в технике: поверхностные волны гораздо лучше переносят энергию (а вместе с ней и информацию), чем объемные.

У этого свойства есть и оборотная сторона, которая дает о себе знать при стихийных бедствиях. При землетрясениях наиболее разрушительны именно поверхностные акустические волны (surface acoustic wave, SAW). Их существование было предсказано одним из первых в длинной плеяде выдающихся британских ученых, лордом Рэлеем (John Strutt, 3rd Baron Rayleigh,1842–1919). Для них характерно очень быстрое (экспоненциальное) убывание амплитуды колебаний по мере удаления от поверхности. Широкое распространение этого эффекта стало возможно только после открытия пьезоэлектриков — веществ, способных преобразовывать упругие деформации в электрический заряд и наоборот.

Среди множества технологий сенсорных дисплеев та, что определяется аббревиатурой ПАВ (или, в английском варианте, SAW), интуитивно наиболее понятна: место и сила прикосновения пальца к экрану определяется фазой и амплитудой пробежавшей по экрану акустической волны. Фото: Greentouch light Co.

Самый, пожалуй, яркий пример использования поверхностных акустических волн в технике — это сенсорный экран, тачскрин. Технология реализуется просто: по углам стеклянной панели располагаются пьезоэлектрические преобразователи-трансдукторы (transducer), а вдоль сторон — отражатели, не позволяющие энергии упругих колебаний без толку рассеиваться. Одна разновидность отражателей работает просто как зеркало — угол падения равен углу отражения, а другая — поглощает упругие колебания и затем переизлучает их в направлении преобразователя.

На пьезоэлектрических преобразователях — в полном соответствии с названием — упругие колебания преобразовываются в колебания поверхностного электрического заряда, благодаря чему их можно использовать как источник слабого переменного тока. Проанализировать электрический ток значительно проще, чем акустические волны. В итоге можно получить информацию не только о месте касания, но и о его силе.

Еще одно несомненное преимущество такой технологии в том, что изготовленные с ее помощью экраны весьма долговечны — так, по утверждению тайваньской фирмы GeneralTouch, они могут выдержать до 50 млн касаний в одной точке. Применяются такие экраны в основном в игровых автоматах и в терминалах справочных систем, устанавливаемых в медицинских или образовательных учреждениях. В качестве вспомогательной эта технология применяется также в iPad и iPhone.

В последние годы уникальные свойства ПАВ стали использоваться в «лабораториях на чипе» — так принято называть устройства, размещаемые на одиночных микрочипах и позволяющие выполнять сразу несколько процедур лабораторного исследования. «Лаборатории на чипе» оперируют обычно со сверхмалыми объемами жидкостей — порядка нано- и пиколитра (1 нл = 10–9 л, 1 пл = 10–12 л). К несомненным преимуществам таких устройств относят крайне малые количества требуемых реагентов, быстродействие, небольшие размеры и дешевизну. При столь малых объемах жидкость нередко проявляет весьма необычные свойства. Изучением микропотоков жидкостей занимается самостоятельный раздел физики, известный как «микрогидродинамика» (более распространен английский термин — microfluidic, микрофлюидика).

Стив Казальнуово (Sandia National Laboratories) показывает монитор разработанной при его участии системы детектирования опасных химических соединений. На мониторе интегрируется информация от множества ПАВ-датчиков, размером с маковое зерно каждый. Фото: Randy Montoya/Sandia Corporation

Самое удивительное из таких свойств — оно проявляется, когда жидкости приходится просачиваться через трубки диаметром порядка 100 нм, — существенное снижение числа Рейнольдса. Этот безразмерный параметр, введенный в 1851 году создателем гидродинамики, кембриджским математиком Джорджем Стоксом (Sir George Gabriel Stokes, 1819–1903), однако получивший широкое распространение только после работ его последователя из Ирландии Осборна Рейнольдса (Osborne Reynolds, 1842–1912), в честь которого и назван, показывает, какая часть кинетической энергии жидкости теряется из-за вязкого трения.

При турбулентном движении жидкости, сопровождаемом хаотически рождающимися и распадающимися вихрями, число Рейнольдса существенно выше, чем при спокойном, ламинарном. Уменьшение числа Рейнольдса означает, в частности, замедление процессов перемешивания различных жидкостей; основным механизмом смешивания становится при этом диффузия. Чтобы почувствовать разницу, достаточно положить в чай сахар и, не размешивая его ложкой, подождать, пока он не растворится сам собой.

В отличие от гидродинамики, на вполне законных основаниях причисляемой к механике в качестве одного из ее разделов, микрофлюидика считается междисциплинарной областью знания. Для решения задач, связанных с обтеканием жидкостью препятствий нанометровых размеров, одной механики уже недостаточно. Кроме различных разделов физики приходится обращаться также к химии и биологии. А с 1990-х годов стала очевидна связь микрофлюидики с нанотехнологиями. Для публикации исследований в новой области британское Королевское химическое общество (Royal Society of chemistry) основало в 2001 году специальный журнал «Lab on a chip». В нем-то и были недавно опубликованы результаты исследования, показывающие, как можно использовать ПАВ для «управления» микропотоками биологических жидкостей.

Рассмотрим поверхностную акустическую волну, распространяющуюся по твердой поверхности пьезоэлектрика. Пусть на поверхности расположена капелька жидкости; контакт волны с каплей приводит к поглощению части энергии волны жидкостью. При небольшой интенсивности звуковых колебаний она быстро превращается внутри капельки в тепло. Но когда колебания достигают частот порядка 10 МГц (1 МГц = 106 Гц), возникает нелинейный эффект, именуемый акустическим стримингом (acoustic streaming). В этом случае энергия звуковых колебаний преобразуется не в тепло, то есть хаотическое движение частиц жидкости, а в механическую энергию направленного потока жидкости — то есть упорядоченного их движения.

«Лаборатория на чипе» — современный способ проводить сложные химические анализы в экстремальных условиях. Например, на МКС. Фото: NASA/MSFC/D.Stoffer 

Проявляться акустический стриминг может самыми разнообразными способами. Капелька может начать двигаться как единое целое, она может начать вращаться как единое целое. Но возможно и такое вращение, при котором разные части капельки крутятся с разными угловыми скоростями и даже в разных направлениях. Тогда жидкость внутри будет активно перемешиваться. При достаточно большой интенсивности звуковой волны капля может начать выбрасывать из себя жидкость в виде микроскопических струй.

Умение привести каплю в движение как целое часто оказывается полезным. Раскрутившись, капля сама для себя превращается в своеобразную центрифугу, позволяя, например (если это капля крови), отделять кровяные клетки от плазмы. Вполне реальные приборы реализуют акустический стриминг при проведении анализа крови. И если при использовании центрифуг на отделение клеток крови от плазмы уходят десятки минут, приборы нового поколения выдают готовый результат буквально за секунду.

Однако разбивать капли при помощи стриминга на части с прикладной точки зрения намного перспективнее. Например, это оказывается очень полезно для усовершенствования ингаляторов. Обычно, когда жидкое лекарство превращается в воздушную взвесь, капельки сильно различаются между собой по размерам. А достичь пораженного болезнью органа могут только те, у которых размер вполне определенный. В итоге при использовании стандартного ингалятора-небулайзера «работает» не больше 30% лекарства. Регулируя размер акустической волной, можно добиться теоретически 100-процентной эффективности.

Например, при астме лекарства должны доставляться к тканям легких. Микрофлюидика показывает, что капельки размером более 5 мкм почти гарантированно их не достигают. А в экспериментах, которые проводила в южно-австралийском университете им. генерала Джона Монаша (Monash University in Clayton) исследовательская группа под руководством специалиста по нанофизике Лесли Йео (Leslie Yeo), все капельки взвеси имели диаметр 3 мкм с довольно хорошей точностью. Это означает, что почти все из них достигнут цели. Располагая ингалятором со встроенным чипом, пациент может обеспечить нужную эффективность доставки лекарства к больному органу простым поворотом регулятора.

Чип, встроенный в небулайзер, гарантирует, что все капельки взвеси будут строго одинакового размера. Фото (Creative Commons license): sarahheiman

Еще одну возможность использования ПАВ предлагает Йон Купер (Jon Cooper), биоинженер из университета Глазго (University of Glasgow). С помощью ПАВ и акустического стриминга Купер переводит взвесь капелек жидкости в парообразное состояние. Подобная методика может оказаться весьма полезной для масс-спектроскопии — на этапе приготовления образцов того вещества, которое необходимо исследовать. Весьма важно, что в этом случае вы не нуждаетесь в стабилизаторах, предохраняющих биологический образец от разрушения при спектрометрии. Отсутствие же стабилизаторов — неизбежно загрязняющих исследуемое вещество — повышает надежность выявления в образце следовых концентраций интересующих исследователя химических веществ.

Но наиболее широкий горизонт новой технологии открывается, если воспользоваться акустическим стримингом для управления химическими или биохимическими реакциями. Довольно успешно этим научился пользоваться Ахим Виксфорт (Achim Wixforth) из Агсбургского университета в Германии (Augsburg University). При помощи стриминга он стал быстро смешивать малые дозы биологических жидкостей. Обычно, напомним, смешивание обеспечивается процессами диффузии. Разрывы в микроскопических каплях многократно ускоряют взаимодействие реагентов.

Исследования Виксфорта стали основой ряда бизнес-проектов, а сам он для успешного продвижения своих идей в повседневную практику биохимических исследований основал компанию Advalytix. В прошлом году, в период наибольших тревог, связанных с эпидемией свиного гриппа, компания предложила устройство, позволяющее распознать присутствие вируса по анализу единственной клетки.

Не вызывает сомнений, что в самом скором времени мы услышим о новых областях применения поверхностных акустических волн и новых вызываемых ими эффектах. В них сейчас уже довольно трудно увидеть то, с чего все это начиналось — неожиданно медленное ослабление радиосигнала при удалении корабельной радиостанции от порта приписки, замеченное Маркони. Но во всех этих случаях эффективность использования относительно небольшого количества энергии обеспечивается тем, что она не рассеивается попусту.

Дмитрий Баюк, Борис Булюбаш, 11.10.2010

 

Новости партнёров