As limitações das tecnologias de matriz piezoelétrica convencionalmente usadas para ultrassom inspiraram um grupo de pesquisadores da University College London a explorar um mecanismo alternativo para gerar ultrassom via luz, também conhecido como efeito fotoacústico. Combinando isso com a impressão 3-D, o grupo foi capaz de gerar campos sonoros com formas específicas para uso potencial na manipulação de células biológicas e administração de drogas.

Materiais piezoelétricos geram estresse mecânico em resposta a um campo elétrico aplicado, resultando em uma força utilizável e precisamente controlável que pode, por exemplo, ser usado para criar ondas sonoras. Mas alcançar esse controle com arranjos piezoelétricos convencionais requer tanto eletrônicos complicados quanto um grande número de componentes individuais extremamente pequenos que são caros e difíceis de fabricar.

O efeito fotoacústico, em contraste, ocorre quando um pulso curto ou fonte modulada de luz é absorvido por um material, produzindo uma onda sonora. Como o grupo relata no Cartas de Física Aplicada , seu trabalho se concentra no uso do efeito fotoacústico para controlar campos de ultrassom em 3-D.

"Um recurso útil do efeito fotoacústico é que a forma inicial do som gerado é determinada [por] onde a luz é absorvida, "disse Michael Brown, Doutoranda do Grupo de Ultrassom Biomédico do Departamento de Física Médica e Engenharia Biomédica da University College London. "Isso pode ser usado para criar pontos intensos de som fortemente focalizados, apenas depositando um absorvedor óptico em uma superfície côncava, que funciona como uma lente. "

De forma geral, é possível fabricar amostras com quase qualquer formato de superfície usando uma impressora 3-D e um material transparente.

"Ao depositar um absorvedor óptico nesta superfície, que pode ser feito por meio de pintura em spray, uma onda de som de quase qualquer forma pode ser criada iluminando esta amostra com um laser, "Disse Brown." Se você ajustar cuidadosamente o design da superfície e, portanto, a forma da onda acústica, é possível controlar onde o campo sonoro irá se concentrar e até mesmo criar campos focados em formas contínuas. Estamos usando letras e números. "

Isso é particularmente significativo porque, em teoria, a capacidade de controlar a forma da frente de onda - a superfície sobre a qual a onda de som tem uma fase constante, um pouco como a borda da onda - permite um alto grau de controle sobre o campo resultante.

"Mas, na verdade, projetar uma frente de onda que gere um padrão desejado torna-se mais desafiador à medida que a complexidade do alvo aumenta, "Brown disse." Um claro 'melhor' design está disponível apenas para alguns casos selecionados, como a geração de um único foco. "

Para superar essa limitação, o grupo "desenvolveu um algoritmo que permite aos usuários inserir um campo sonoro desejado em 3-D, e então produz um perfil de superfície imprimível 3-D que gera este campo, "Disse Brown." Nosso algoritmo permite o controle preciso da intensidade do som em diferentes locais e do momento em que o som chega, tornando rápido e fácil projetar superfícies ou 'lentes' para uma aplicação desejada. "

Brown e seus colegas demonstraram a eficácia de seu algoritmo criando uma lente projetada para gerar um campo sonoro em forma de número 7. Depois de iluminar a lente por um laser pulsado, eles gravaram o campo sonoro e o desejado "7" ficou claramente visível com alto contraste.

"Foi a primeira demonstração de geração de uma distribuição multifocal de som usando esta abordagem, "Brown disse.

Existem muitos usos potenciais para os perfis optoacústicos personalizados criados pelo grupo. "O som altamente intenso pode causar aquecimento ou exercer forças sobre os objetos, como em pinças acústicas, "Brown disse." E dispositivos similares de foco único já estão sendo usados ​​para clivar clusters de células e entrega de drogas direcionadas, portanto, nosso trabalho pode ser útil nessa área. "

O grupo também está interessado nos efeitos da propagação através do tecido, que introduz distorções na forma das frentes de onda causadas por variações na velocidade do som. "Se a estrutura do tecido é conhecida de antemão por meio de imagens, nossa abordagem pode ser usada para corrigir essas aberrações, "Brown disse." Manipular a forma e o tempo durante o qual o som focalizado é gerado também pode ser útil para manobrar e controlar células biológicas e outras partículas. "

Daqui para frente, Brown e seu grupo esperam investigar o uso de outras fontes de luz e quais vantagens elas podem oferecer.

"Uma limitação do nosso trabalho foi o uso de um laser de pulso único, "Disse Brown." Isso significava que a forma temporal do som gerado a partir da amostra era apenas um pulso curto, o que limitou a complexidade dos campos que poderiam ser gerados. No futuro, estamos interessados ​​em usar fontes ópticas moduladas alternativas para iluminar esses dispositivos. "