Обзор наноакустики в нанотехнологии

Фото: azonano.com

 Наноакустика быстро развивалась благодаря постоянному и значительному росту возможностей и совершенствованию методов. В этой статье обсуждается наноакустика, ее приложения, включая наноакустическое зондирование, наноакустические манипуляции и наноакустические характеристики, а также ее перспективы на будущее.

Что такое акустика?

Термин «акустика» происходит от греческого слова «akoustos», что означает «услышанный». Акустика — это наука, которая занимается производством, передачей, контролем и эффектами звуков. Акустика охватывает ряд тем, включая контроль шума, ультразвук в области медицины, термоакустическое охлаждение, биоакустику, SONAR для подводной навигации, наноакустику, сейсмологию и электроакустическую связь.

Ультразвук имеет частоты звука выше диапазона слышимости, обычно 20 кГц. Обычно ультразвук генерируется преобразователями, в которых используется пьезоэлектрический материал для преобразования электрической энергии в акустическую с использованием обратного пьезоэлектрического эффекта.

История наноакустики

С развитием нанонауки в 1980-х годах нанотехнологии стали привлекать внимание в различных секторах исследовательского сообщества. Достижения в области наноматериалов и наноустройств для ультразвуковых исследований произвели революцию в традиционных методах использования ультразвука.

За последние несколько лет внедрение различных наноразмерных материалов для поддержки выявления и лечения различных заболеваний вызвало растущий интерес, став важным сектором медицинской ультрасонографии. В настоящее время нанотехнологии имеют дело с различными ультразвуковыми приборами, которые могут отслеживать и контролировать наночастицы.

Наноакустическая характеристика

Сканирующая акустическая микроскопия (САМ):

Звуковые волны с высокими частотами имеют короткие длины волн и используются для разработки акустических микроскопов. Эти микроскопы имеют такое же разрешение, как и оптические микроскопы. Ученые использовали эту идею наноакустики в микроскопии для разработки сканирующих акустических микроскопов (SAM).

Более ранние микроскопы, в которых использовались методы SAM, обеспечивали разрешение до 10 мкм. Позже усовершенствованная версия могла работать с длинами волн до 260 нанометров. Этот метод в основном используется в биологии, визуализации внутренних структур материалов и характеристике оптически непрозрачных образцов.

Атомно-силовая акустическая микроскопия:

Разрешение SAM ограничено. Поэтому для характеристики свойств материалов с субмикрометровым разрешением используется другой метод — атомно-силовая акустическая микроскопия или AFAM. Этот метод используется для описания и отображения механических свойств вплоть до наномасштаба. Например, согласно недавним исследованиям, этот метод использовался для точного измерения динамического модуля Юнга таких материалов, как нанокристаллические ферриты, с наноразмерным разрешением. Разрешение для этой техники составляет до 10 нанометров.

Наноакустическая манипуляция

С научным прогрессом в нанотехнологиях, таких как нанопроизводство, биомедицина и инженерия материалов, манипулирование наночастицами, нанокаплями и наноклетками имеет важное значение. Эти функции манипулирования включают ориентацию, захват, сортировку, концентрацию и сборку нанообъектов.

Исследователи создали множество альтернативных тактик для выполнения этих манипуляционных функций, классифицируемых как электрические, оптические, микрофлюидные, магнитные, АСМ, механические и акустические методы.

У каждого подхода есть свой набор недостатков, но при сравнении акустические системы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими методами. Например, акустические методы могут обеспечивать различные функции манипулирования. Эти методы также не требуют особых свойств обрабатываемого образца и могут выполняться с помощью простых структур устройства.

Наноакустическое зондирование

Устройства поверхностных акустических волн (ПАВ) реагируют на механические, электрические, химические сигналы и другие возмущения. Чувствительные свойства этих устройств также позволяют использовать их в качестве датчиков на ПАВ.

Эти наноакустические датчики выгодны своей низкой стоимостью, высокой чувствительностью, превосходным временем отклика и компактными размерами. Кроме того, наноакустические датчики на основе ПАВ демонстрируют исключительную стабильность, селективность и линейность, обеспечиваемые подходящей конструкцией ВШП чувствительных поверхностей и пьезоэлектрических подложек.

Помимо датчиков на основе ПАВ, также разрабатываются различные наноакустические датчики. Например, ученые разработали гибкий датчик давления, сделанный путем упаковки золотых нанопроволок между двумя листами PMDS. Этот наноакустический датчик показал быстрый отклик, высокую стабильность, высокую чувствительность и низкое энергопотребление. Эти свойства и механическая гибкость позволили этому датчику отслеживать частоту сердечных сокращений в реальном времени, а также обнаруживать небольшие вибрационные силы.

Будущие перспективы

Наноакустические манипуляции продемонстрировали значительные перспективы в различных приложениях, включая нанопроизводство и биомедицину. Однако многие вопросы об основополагающих принципах генерации ПАВ внутри микроканалов остаются без ответа.

Кроме того, необходимы дополнительные исследования, чтобы улучшить наше понимание этих явлений. Будущие перспективы наноакустики для практического применения включают интеграцию устройств с высокой точностью и управляемостью.

Ожидается, что функционализация устройств на ПАВ для повышения избирательности станет важной областью исследований из-за характерных преимуществ сенсорных платформ на основе ПАВ. Исследования датчиков на основе SAW должны продолжать изучать новые материалы датчиков для повышения производительности и расширения диапазона приложений.

Кроме того, существует необходимость в улучшении существующих наноакустических датчиков на основе ПАВ, поскольку одним из ограничений является то, что им нужны дорогостоящие электронные системы обнаружения, такие как анализаторы цепей, для эффективной записи поведения устройства. Поэтому в будущем потребуются небольшие портативные устройства для сбора данных, которые можно объединить в высокоинтегрированные и экономичные системы.

Источник