Os pesquisadores revelaram como as ondas sonoras de alta frequência podem ser usadas para construir novos materiais, fabricar nanopartículas inteligentes e até mesmo entregar medicamentos aos pulmões para tratamentos indolores, vacinações sem agulha.

Embora as ondas sonoras tenham feito parte da ciência e da medicina por décadas - o ultrassom foi usado pela primeira vez para imagens clínicas em 1942 e para impulsionar reações químicas na década de 1980 - as tecnologias sempre dependeram de baixas frequências.

Agora, pesquisadores da RMIT University em Melbourne, Austrália, mostraram como as ondas sonoras de alta frequência podem revolucionar o campo da química impulsionada pelo ultrassom.

Uma nova resenha publicada em Ciência Avançada revela os efeitos bizarros dessas ondas sonoras em materiais e células, como moléculas que parecem se ordenar espontaneamente após serem atingidas pelo equivalente sônico de um semirreboque.

Os pesquisadores também detalham várias aplicações interessantes de seu trabalho pioneiro, Incluindo:

• Entrega de drogas aos pulmões - tecnologia de nebulização patenteada que pode fornecer medicamentos e vacinas que salvam vidas por inalação, ao invés de injeções
• Nanopartículas protetoras de drogas —Encapsulando drogas em nano-revestimentos especiais para protegê-los da deterioração, controlar sua liberação ao longo do tempo e garantir que eles atinjam com precisão os lugares certos no corpo, como tumores ou infecções
• Materiais inovadores e inteligentes - produção sustentável de nanomateriais super-porosos que podem ser usados ​​para armazenar, separado, liberar, proteja quase tudo
• Materiais de nanofabricação 2-D -preciso, esfoliação econômica e rápida de pontos quânticos atomicamente finos e nanofolhas

O distinto professor Leslie Yeo, pesquisador líder, e sua equipe passaram mais de uma década pesquisando a interação de ondas sonoras em frequências acima de 10 MHz com diferentes materiais.

Mas Yeo diz que só agora estão começando a entender a gama de fenômenos estranhos que costumam observar no laboratório.

"Quando acoplamos ondas sonoras de alta frequência em fluidos, materiais e células, os efeitos são extraordinários, " ele diz.

"Aproveitamos o poder dessas ondas sonoras para desenvolver tecnologias biomédicas inovadoras e para sintetizar materiais avançados.

"Mas nossas descobertas também mudaram nossa compreensão fundamental da química impulsionada pelo ultrassom - e revelaram o quão pouco realmente sabemos.

"Tentar explicar a ciência do que vemos e então aplicar isso para resolver problemas práticos é um grande e excitante desafio."

Ondas sônicas:como alimentar a química com o som

A equipe de pesquisa RMIT, que inclui o Dr. Amgad Rezk, Dra. Heba Ahmed e Dra. Shwathy Ramesan, gera ondas sonoras de alta frequência em um microchip para manipular fluidos ou materiais com precisão.

O ultrassom tem sido usado há muito tempo em baixas frequências - em torno de 10 kHz a 3 MHz - para conduzir reações químicas, um campo conhecido como "sonoquímica".

Nessas frequências baixas, as reações sonoquímicas são provocadas pela violenta implosão de bolhas de ar.

Este processo, conhecido como cavitação, resulta em pressões enormes e temperaturas ultra-altas - como uma panela de pressão minúscula e extremamente localizada.

Mas acontece que, se você aumentar a frequência, essas reações mudam completamente.

Quando as ondas sonoras de alta frequência foram transmitidas para vários materiais e células, os pesquisadores viram um comportamento que nunca havia sido observado com ultrassom de baixa frequência.

"Vimos moléculas auto-ordenadas que parecem se orientar no cristal ao longo da direção das ondas sonoras, "Yeo diz.

"Os comprimentos de onda de som envolvidos podem ser mais de 100, 000 vezes maior do que uma molécula individual, por isso é incrivelmente intrigante como algo tão pequeno pode ser precisamente manipulado com algo tão grande.

"É como dirigir um caminhão em uma dispersão aleatória de tijolos de Lego, então, encontrar essas peças empilhadas umas sobre as outras - isso não deveria acontecer! "

Avanços biomédicos

Embora a cavitação de baixa frequência possa muitas vezes destruir moléculas e células, eles permanecem quase intactos sob as ondas sonoras de alta frequência.

Isso os torna suaves o suficiente para serem usados ​​em dispositivos biomédicos para manipular biomoléculas e células sem afetar sua integridade - a base para as várias tecnologias de distribuição de drogas patenteadas pela equipe de pesquisa da RMIT.

Um desses dispositivos patenteados é barato, nebulizador avançado leve e portátil que pode fornecer com precisão moléculas grandes, como DNA e anticorpos, ao contrário dos nebulizadores existentes.

Isso abre o potencial para indolor, vacinações e tratamentos sem agulha.

O nebulizador usa ondas sonoras de alta frequência para excitar a superfície do fluido ou droga, gerando uma névoa fina que pode entregar moléculas biológicas maiores diretamente aos pulmões.

A tecnologia de nebulizador também pode ser usada para encapsular uma droga em nanopartículas de polímero protetor, em um processo de uma etapa que reúne nanofabricação e distribuição de medicamentos.

Além disso, os pesquisadores mostraram que a irradiação de células com ondas sonoras de alta frequência permite que moléculas terapêuticas sejam inseridas nas células sem danos, uma técnica que pode ser usada em terapias baseadas em células emergentes.

Materiais inteligentes

A equipe usou as ondas sonoras para impulsionar a cristalização para a produção sustentável de estruturas metal-orgânicas, ou MOFs.

Previsto para ser o material definidor do século 21, MOFs são ideais para detectar e aprisionar substâncias em concentrações mínimas, para purificar a água ou o ar, e também pode conter grandes quantidades de energia, para fazer melhores baterias e dispositivos de armazenamento de energia.

Enquanto o processo convencional para fazer um MOF pode levar horas ou dias e requer o uso de solventes agressivos ou processos intensivos de energia, a equipe RMIT desenvolveu um técnica orientada por ondas de som que pode produzir um MOF personalizado em minutos e pode ser facilmente ampliada para produção em massa eficiente.

As ondas sonoras também podem ser usadas para nanomanufatura de materiais 2-D, que são usados ​​em inúmeras aplicações, de circuitos elétricos flexíveis a células solares.

Ampliando e ultrapassando limites

As próximas etapas para a equipe RMIT estão focadas na ampliação da tecnologia.

Com um baixo custo de apenas US $ 0,70 por dispositivo, os microchips geradores de ondas sonoras podem ser produzidos usando os processos padrão para a fabricação em massa de chips de silício para computadores.

"Isso abre a possibilidade de produzir quantidades industriais de materiais com essas ondas sonoras por meio de paralelização massiva - usando milhares de nossos chips simultaneamente, "Yeo disse.

A equipe do Laboratório de Pesquisa Micro / Nanofísica, na Escola de Engenharia da RMIT, é um dos poucos grupos de pesquisa do mundo reunindo ondas sonoras de alta frequência, microfluídica e materiais.

Yeo diz que a pesquisa desafia as teorias da física de longa data, abrindo um novo campo de "excitação de alta frequência" em paralelo à sonoquímica.

"As teorias clássicas estabelecidas desde meados de 1800 nem sempre explicam o comportamento estranho e às vezes contraditório que vemos - estamos ultrapassando os limites de nossa compreensão."