Come funziona e che cosa è la Sonolitografia

Sonolitografia: i ricercatori utilizzano il suono per manipolare le particelle in un processo di stampa 3D veloce e preciso
 
Pensavo che l’acustica fosse solo il tipo di stanza migliore per un ensemble musicale in cui suonare, dato che era una mia preoccupazione regolare quando suonavo attivamente strumenti musicali su base quasi quotidiana dall’età di 13-22 anni. . Non mi sbagliavo del tutto, anche se un po ‘pedone nel mio pensiero: l’ acustica è una branca della fisica incentrata sullo studio delle onde meccaniche in gas, liquidi e solidi, inclusi argomenti come infrasuoni, ultrasuoni, suoni e vibrazioni. Quindi, ha qualcosa a che fare con le onde sonore , sia che le stiamo manipolando per realizzare stampe 3D migliori , separando suoni sovrapposti simultanei da fonti diverse o nascondendo e etichettando gli elementi .

Un team collaborativo di ricercatori dell’Università di Bath e dell’Università di Bristol nel Regno Unito ha studiato come utilizzare il suono per manipolare le particelle per un metodo di stampa 3D di prossima generazione più veloce e preciso. Il team sta utilizzando ultrasuoni controllati dal computer per fabbricare modelli predeterminati da goccioline o particelle di aerosol su substrati superficiali in un processo noto come sonolitografia. Questo processo potrebbe comportare grandi vantaggi per varie applicazioni come l’elettronica stampata, la verniciatura industriale e il rivestimento a spruzzo e persino la biofabbricazione.

“L’interferenza delle onde genera un campo acustico con regioni definite di alta e bassa pressione. Goccioline o particelle che si muovono attraverso questo campo migrano verso regioni specifiche in base a questa distribuzione della pressione e alle proprietà dei materiali (ad es. Dimensione, densità) “, Dr. Jenna Shapiro , ricercatrice associata alla  School of Cellular and Molecular Medicine dell’Università di Bristol , ha spiegato in un’intervista a Design News .


a) Rappresentazione schematica del processo sonolitografico. Con un materiale liquido, le goccioline vengono generate, passano attraverso un campo di pressione acustica generato da onde stazionarie ultrasoniche e vengono depositate in un modello su un substrato. La localizzazione nodale è mostrata per particelle blu più grandi, nei punti di ampiezza minima. b) Il modello può essere previsto attraverso la simulazione delle forze di radiazione acustica. Qui, vengono mostrate le pressioni simulate per quattro coppie di trasduttori, disposte in un ottagono con una distanza di 5λ (43 mm) tra i trasduttori. Una regione di interesse quadrata di 25 mm × 25 mm al centro è delineata in verde, corrispondente alle immagini sperimentali. Le aree di pressione acustica zero (nodi) sono nere e le aree di pressione acustica massima (antinodi) sono bianche. c) Un’immagine da un video di acqua nebulizzata modellata su carta sensibile all’acqua usando la matrice ottagonale, presa at = 15 s, dove il modello è diventato chiaro. Il contrasto è stato migliorato per la visualizzazione. d) Acqua nebulizzata (∅ 1–5 µm), acqua erogata da un generatore di goccioline su richiesta (DOD) (∅ 25 µm) e sabbia colorata (∅ 0,5–1 mm) sono stati modellati con la stessa matrice ottagonale. L’acqua nebulizzata si localizza negli antinodi, mentre l’acqua DOD e la sabbia si localizzano nei nodi. Per l’immagine dell’acqua combinata (in basso a sinistra), sia l’acqua nebulizzata che quella generata da DOD (qui, ∅ 80 µm) sono state modellate consecutivamente sullo stesso pezzo di carta. Le fotografie di sabbia (ricolorate in rosso) e acqua nebulizzata (scala di grigi) sono state migliorate con contrasto e sovrapposte (in basso a destra) per dimostrare le diverse disposizioni fisiche di queste particelle. e) L’analisi dell’immagine è stata eseguita per confrontare i modelli di deposizione dell’acqua e della sabbia con le pressioni simulate in (b). L’intensità media radiale dei pixel delle foto in scala di grigi dell’acqua nebulizzata (verde) e dell’acqua DOD (blu) e della sabbia (rossa) è stata tracciata rispetto alla distanza dal centro. L’intensità dei pixel è stata normalizzata all’intensità massima nelle regioni più scure, in modo tale che i picchi corrispondano alle aree con la maggiore densità di materiale modellato. Vengono mostrate anche le pressioni acustiche simulate (tratteggiate in nero), dove i picchi corrispondono agli antinodi e i valori zero ai nodi. L’intensità media radiale dei pixel delle foto in scala di grigi dell’acqua nebulizzata (verde) e dell’acqua DOD (blu) e della sabbia (rossa) è stata tracciata rispetto alla distanza dal centro. L’intensità dei pixel è stata normalizzata alla massima intensità nelle regioni più scure, in modo tale che i picchi corrispondano alle aree con la maggiore densità di materiale modellato. Vengono mostrate anche le pressioni acustiche simulate (tratteggiate in nero), dove i picchi corrispondono agli antinodi e i valori zero ai nodi. L’intensità media dei pixel radiali delle foto in scala di grigi dell’acqua nebulizzata (verde) e dell’acqua DOD (blu) e della sabbia (rossa) è stata tracciata rispetto alla distanza dal centro. L’intensità dei pixel è stata normalizzata all’intensità massima nelle regioni più scure, in modo tale che i picchi corrispondano alle aree con la maggiore densità di materiale modellato. Vengono mostrate anche le pressioni acustiche simulate (tratteggiate in nero), dove i picchi corrispondono agli antinodi e i valori zero ai nodi.

I ricercatori, che sono stati ispirati dal movimento del maker e dai progressi nella manipolazione delle particelle e nella levitazione ultrasonica, hanno lavorato insieme per sviluppare, come ha spiegato il dottor Shapiro, “strumenti di fabbricazione accessibili utilizzando onde stazionarie ultrasoniche”. Hanno pubblicato i loro risultati in un documento intitolato ” Sonolithography: In-Air Ultrasonic Particulate and Droplet Manipulation for Multiscale Surface Patterning “.

L’abstract recita: “La sonolitografia si basa sull’applicazione delle forze di radiazione acustica derivanti dall’interferenza delle onde stazionarie ultrasoniche per dirigere l’accumulo di particelle / goccioline trasportate dall’aria in regioni spaziali definite. Questo approccio consente la modellazione affidabile e ripetibile dei materiali su un substrato per fornire spunti topografici o biochimici localizzati nello spazio, caratteristiche strutturali o altre funzionalità rilevanti per la biofabbricazione e le applicazioni di ingegneria dei tessuti. La tecnica sfrutta i trasduttori e l’elettronica economici disponibili in commercio. La sonolitografia è in grado di modellare rapidamente materiali in scala da micrometro a millimetro su un’ampia varietà di substrati su un’area di superficie macroscala (cm 2 ) e può essere utilizzata per la modellazione cellulare sia indiretta che diretta “.
La sonolitografia utilizza array di onde stazionarie acustiche nell’aria, che sono state generate da altoparlanti a ultrasuoni. Quindi, i materiali vengono depositati, nel modello determinato dal campo acustico, su un substrato.

“È essenzialmente come se il campo agisse come uno stencil o una maschera, guidando i materiali in aree specifiche”, ha spiegato il dottor Shapiro.


Gli ultrasuoni e gli algoritmi informatici controllano il modo in cui il materiale prende forma in un nuovo tipo di stampa chiamato sonolitografia inventato dai ricercatori delle Università di Bath e Bristol.


Il dottor Shapiro afferma che il loro metodo di sonolitografia può “stampare” superfici con motivi fino a 20 centimetri quadrati in meno di 30 secondi.

“Il potere degli ultrasuoni ha già dimostrato di far levitare piccole particelle. Siamo entusiasti di aver ampliato enormemente la gamma di applicazioni modellando dense nuvole di materiale nell’aria su larga scala e di essere in grado di controllare algoritmicamente come il materiale si assesta nelle forme “, ha affermato il professor Mike Fraser  del  Dipartimento di informatica dell’Università di Bath .
Il processo del team consente molta flessibilità nei materiali depositati, come proteine, cellule di mammiferi e aerosol, nonché nel substrato. Si dice che la sonolitografia sia più efficace quando lo stesso modello deve essere applicato ripetutamente a più superfici. Inoltre, il metodo è modulare, quindi qualsiasi passaggio, come l’array di modelli o il metodo di generazione di goccioline, può essere migliorato o anche semplicemente disattivato.

Il dottor Shapiro ha spiegato: “Ciò significa che c’è ancora molto spazio per l’innovazione e il miglioramento. Nello spazio di fabbricazione, abbiamo dimostrato che la selezione del materiale può essere in gran parte disaccoppiata dal modello stesso, aprendo questo a una gamma di potenziali applicazioni “.


Vari materiali e substrati modellati utilizzando la sonolitografia. Barre della scala: 1 cm. a) Inchiostro conduttivo a base di carbone nebulizzato e perle di polistirene espanso (∅ ≈1,5 mm) su carta. b) Fluido illuminante nebulizzato su carta, illuminato da una luce nera portatile. c) Soluzione acquosa di saccarosio nebulizzata su vetro. d) Acqua nebulizzata su pellicola di alginato di calcio disidratato. Una freccia indica il secondo antinodo dal centro. e) Acqua nebulizzata su Parafilm. f) Un effetto di segregazione dimensionale osservato con la sabbia. Frammenti di polvere più piccoli sono stati modellati sull’antinodo centrale.
Il passaggio successivo consiste nel lavorare sulla manipolazione in tempo reale del campo acustico e sulla successiva modellazione aggiungendo il controllo dinamico al processo.

“Gli oggetti che stiamo manipolando hanno le dimensioni di gocce d’acqua nelle nuvole. È incredibilmente eccitante poter spostare oggetti così piccoli con un controllo così accurato “, ha spiegato il professor Bruce Drinkwater , professore di ultrasuoni presso il Dipartimento di ingegneria meccanica dell’Università di Bristol  . “Questo potrebbe consentirci di dirigere gli spray aerosol con una precisione inaudita, con applicazioni come la somministrazione di farmaci o la guarigione delle ferite”.
Il dottor Shapiro ha una formazione in ingegneria dei tessuti e biomateriali, quindi era molto interessato al potenziale della sonolitografia per la biomedicina.

“La sonolitografia consente un pattern delicato, senza contatto e rapido di cellule e biomateriali sulle superfici”, ha spiegato . “L’ingegneria dei tessuti può utilizzare metodi di biofabbricazione per costruire strutture definite di cellule e materiali. Stiamo aggiungendo una nuova tecnica alla cassetta degli attrezzi di biofabbricazione.

“Attualmente sto studiando come utilizzare la sonolitografia per generare microarchitetture biomateriali uniche e come queste a loro volta influenzino le relazioni cellula-materiale. Voglio esplorare come questa tecnica possa essere ulteriormente sviluppata, o utilizzata in combinazione con strumenti esistenti, verso la creazione di tessuti di mammiferi per la modellazione e la medicina rigenerativa “.

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