Uma equipe multidisciplinar de pesquisadores da Skoltech descobriu as frequências de ressonância das frústulas de diatomáceas. Essas conchas de dióxido de silício intrincadamente estruturadas de microalgas unicelulares fornecem um modelo promissor para dispositivos eletrônicos e ópticos inspirados na natureza, como minúsculos detectores de ultrassom para imagens médicas avançadas e componentes para processamento ultrarrápido de sinais em microchips do futuro.



No entanto, será necessária uma melhor compreensão das propriedades da frústula de diatomáceas para que essas aplicações interessantes aconteçam, e o recente estudo em Applied Physics Letters é um passo importante nessa direção.

Representando cerca de um quinto do suprimento de oxigênio da Terra e um quarto da biomassa do planeta, as algas diatomáceas são o principal componente do plâncton e uma forma de vida onipresente encontrada nos oceanos, cursos de água e solos do mundo.

O sucesso evolutivo das diatomáceas – com as suas conchas duras e leves feitas de dióxido de silício e marcadas com intrincados padrões de furos – levou os cientistas a estudar as suas propriedades e estrutura e a explorá-las numa variedade de materiais e bens de consumo, desde abrasivos para polimento de metais e pasta de dentes para sistemas de purificação de água e areia para gatos. Agora, os aplicativos mais tecnológicos aguardam sua vez.

“Este estudo combina simulações de computador com um experimento”, comentou a principal autora do artigo, Julijana Cvjetinovic, cientista pesquisadora da Skoltech. "As simulações nos permitiram prever as frequências de ressonância das diatomáceas na faixa de 1 a 8 MHz, e usamos um microscópio de força atômica para fornecer a primeira validação experimental dessas frequências." As medições foram realizadas pelo cientista pesquisador sênior da Skoltech, Sergey Luchkin.

Conhecer as frequências de ressonância destas estruturas microscópicas é crucial para explorar o seu design, optimizado pela natureza, em pequenos dispositivos que combinam partes móveis com óptica (circuitos integrados fotónicos, ou PICs) ou com electrónica (sistemas microelectromecânicos, também conhecidos como dispositivos MEMS):os microfones em dispositivos portáteis, os sensores de pressão nos pneus dos carros, os acelerômetros nos equipamentos de realidade virtual, os alto-falantes dos aparelhos auditivos intra-auriculares, os sensores no coração dos sistemas de navegação de aeronaves, etc.

"Em tais dispositivos, estruturas que emulam conchas de diatomáceas poderiam ser usadas como componentes primários e, nesse sentido, nossas descobertas são particularmente relevantes para o projeto de microfones e outros sensores baseados em vibração", disse Cvjetinovic. "Mas, além disso, eles poderiam servir como amortecedores de vibração. Veja, em dispositivos que operam em uma escala tão pequena, mesmo vibrações comparativamente leves podem afetar adversamente o desempenho. E estruturas que imitam frústulas de diatomáceas poderiam mitigar isso."

O co-investigador principal do estudo, o professor Dmitry Gorin da Skoltech, que dirige o Laboratório de Biofotônica da Skoltech, ampliou uma das aplicações potenciais em microfones:“Nosso laboratório está buscando uma técnica avançada de diagnóstico médico chamada optoacústica, que envolve vibrações excitantes de ultrassom em certos objetos - células sanguíneas, capilares, vasos, etc. - no corpo com deformação térmica induzida por um pulso de laser e, em seguida, identificando suas localizações por meio de detectores de ultrassom muito sensíveis."

"É uma técnica de imagem precisa e livre de raios X que poderia se beneficiar de detectores de ultrassom baseados em PIC com membranas que emulam conchas de diatomáceas."

Anteriormente, os pesquisadores da Skoltech propuseram uma sonda endoscópica optoacústica para microcirurgia e diagnóstico médico. Eles também utilizaram um microscópio eletrônico de varredura em um experimento preciso que revelou como as propriedades mecânicas estáticas e dinâmicas das frústulas de diatomáceas estão relacionadas à sua estrutura.

Este conhecimento informou a simulação computacional no artigo recente em Applied Physics Letters , o que também teria sido impossível sem o trabalho teórico pioneiro sobre cálculo de frequência ressonante de diatomáceas do professor Alexander Korsunsky da Skoltech, que também foi o co-investigador principal do novo estudo.

As possibilidades para continuar esta linha de investigação, segundo a equipe, incluem o desenvolvimento de estruturas artificiais inspiradas em diatomáceas e o estudo de sua integração em detectores de ultrassom baseados em PIC como membranas altamente sensíveis.

Mais informações: Julijana Cvjetinovic et al, Sondando modos próprios vibracionais em frústulas de diatomáceas por meio de estudo computacional combinado in silico e experimentação de microscopia de força atômica, Applied Physics Letters (2023). DOI:10.1063/5.0171503
Informações do diário: Cartas de Física Aplicada

Fornecido pelo Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia