Licht formt Schallfelder

Ultraschallquellen nutzen piezoelektrische Keramiken, um nach einer elek­trischen Anre­gung die Luft in Schwin­gungen zu ver­setzen. Die Schall­wellen breiten sich danach mit einem homogen ver­teilten Schall­druck aus. Jetzt gelang es Forschern in Groß­britan­nien, das Ultra­schall­feld detail­liert zu formen. Mit einem opto­akus­tischem Material konnten sie ein Schall­druck­feld in Form der Zahl Sieben erzeugen. Dieser Ansatz für ein Design von Schall­feldern könnte sich in Zukunft für einen kontrol­lierten akus­tisch ange­trie­benen Trans­port etwa von lebenden Zellen oder kleinen Parti­keln nutzen lassen.

Michael Brown und seine Kollegen vom University College London fer­tig­ten ihr opto­akus­tisches Modul aus einem trans­parenten, weichen Kunst­stoff. Auf dieses Material sprühten sie eine dünne Licht absor­bie­rende Lack­schicht. Kurze infra­rote Laser­pulse wärmten das Material partiell auf und verur­sachten kurze Volumen­ände­rungen. Analog zum piezo­elek­trischen Effekt, bei dem elek­trische Pulse Volumen­ände­rungen verur­sachen, konnten die Forscher so mit Licht Ultra­schall­wellen erzeugen.

Um ein Schallfeld mit einer bestimmten Schall­druckver­teilung zu erhalten, musste das opto­akus­tische Modul eine exakt zuge­schnit­tene Form haben. Diese simu­lierten die Wissen­schaftler im Computer und ent­warfen auf dieser Grund­lage einen Bau­plan für einen 3D-Drucker. Als erster Proto­typ entstand eine kreis­runde, etwa 25 Milli­meter durch­messende und zehn Milli­meter hohe opto­akus­tische Ultra­schall­quelle. Die kurzen Laser­pulse erzeug­ten in dieser ein Schall­feld, dessen Schall­druck­ver­teilung bei einer Frequenz von sechs Mega­hertz die Form der Zahl Sieben auf­wies. Für die Messung des so designten Schall­felds nutzten die Forscher ein Fabry-Perot-Inter­fero­meter aus einem dünnen Polymer­film, mit dem sich der räum­lich struk­tu­rierte Schall­druck mit einer Auf­lösung von einem Achtel Milli­meter dar­stellen ließ.

Das Experiment belegt, dass man über den photoakustischen Effekt Schall­felder mit nahezu belie­biger Schall­druck­ver­teilung erzeu­gen kann. Auch Schall­felder mit mehre­ren Schall­druck­foki sind vor­stell­bar. Erste Anwen­dungen können sich Brown und Kollegen in der Labor­technik vor­stellen, um mit Ultra­schall­wellen winzige Partikel oder auch biolo­gische Zellen gezielt zu bewegen. Ähn­liche Ziele könnten aber auch mit Schall­linsen aus akus­tischen Meta­materi­alien erreicht werden.

Jan Oliver Löfken

RK