Engenharia 360

Conheça nova técnica de montagem em 3D que usa campos sonoros holográficos compactos

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por Redação 360
| 03/03/2023 4 min
Imagem de Freepik

Conheça nova técnica de montagem em 3D que usa campos sonoros holográficos compactos

por Redação 360 | 03/03/2023
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Os métodos atuais de holografia óptica gerada por computador, como para campos sonoros holográficos, não são práticos para iluminar volumes alvo grandes. As abordagens baseadas em ativação não linear de um fotoiniciador, como a iluminação sequencial de vários ângulos, são promissoras, mas ainda geram campos 3D de maneira serial. E uma abordagem alternativa é usar campos sonoros para a montagem, o que é autocompatível e não requer o uso de aditivos químicos.

No entanto, a montagem de partículas acústicas é limitada à montagem 2D perto dos limites ou pinças pontuais no ar e na água ambientes. O texto a seguir apresenta um método para realizar a primeira montagem 3D de matéria em uma etapa em formas arbitrárias, usando ultrassom combinando vários hologramas acústicos. Confira!

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Cálculo de campos holográficos 3D compactos

Os comprimentos de onda usados no ultrassom são maiores que os da luz visível, certo? Mas as resoluções axial e radial são favoráveis, permitindo a resolução similar em todas as três direções espaciais.

Como sabemos, os campos acústicos de alta fidelidade são obtidos pela superposição de campos simultâneos de diferentes ângulos. O processo envolve a conversão do objeto de destino para o volume de computação, a escolha do número e orientação dos hologramas e transdutores e o cálculo dos mapas de fase. E a reconstrução da amplitude da pressão do ultrassom gera campos 3D na forma do alvo.

Pois bem, o cálculo de campos holográficos 3D compactos é um desafio na pesquisa em CGH. O objetivo dos cientistas é, agora, encontrar a fase e a distribuição de amplitude da onda incidente que formará a imagem alvo.

Um dos possíveis métodos que podem ser utilizados é o CGH. Para imagens 2D são avançados, mas a terceira dimensão apresenta problemas adicionais. A síntese de campos 3D envolve otimizar o campo acústico de saída sob as restrições experimentais. Algumas imagens de destino 3D podem não ser realizáveis fisicamente, mas podem ser alcançadas através de uma geometria diferente. A abertura finita de uma fonte real restringe ainda mais os vetores de onda a um cone de ângulo de abertura.

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modelagem 3D via campos sonoros holográficos compactos
Síntese de campo no espaço de Fourier. | Imagem reproduzida de Revista Science

Montagem 3D dirigida de micropartículas

O estudo apresenta uma técnica de aprisionamento de partículas usando campos acústicos estruturados que consiste em focos sobrepostos de feixes múltiplos que resultam em interferência ao redor dos focos e permitem a pinça de partículas de contraste acústico positivo nos nós entre as franjas de interferência de alta amplitude. As regiões de captura abrangem vários nós de pressão próximos aos pontos focais, levando a uma aparência listrada das estruturas montadas. A técnica foi testada com partículas de sílica gel e foi capaz de aprisioná-las em locais específicos em 3D. O estudo também apresenta uma ilustração do potencial de captura de partículas em torno do ponto focal mútuo de vários feixes focados.

Os autores apresentam um novo método para criar formas tridimensionais compactas usando hologramas acústicos. O método usa múltiplos hologramas acústicos para superpor campos e gerar formas 3D arbitrárias, o que é mais rápido e não depende do tamanho do objeto em comparação com a bioimpressão serial. Eles demonstraram o método usando partículas de sílica gel, células biológicas e esferas de hidrogel em configurações que consistem em dois ou três transdutores, onde cada um é equipado com um holograma. Os campos acústicos compactos que foram criados experimentalmente permitiram a montagem rápida de matéria em formas 3D arbitrárias.

modelagem 3D via campos sonoros holográficos compactos
Potencial de captura de partículas em torno do ponto focal mútuo de vários feixes focados. | Imagem reproduzida de Revista Science

Possíveis aplicações nas engenharias

Uma das possíveis aplicações práticas deste estudo em engenharia é na área de bioengenharia, onde pode ser usado para montagem rápida de tecidos 3D a partir de células biológicas, que podem ser usados para testes de drogas e terapias personalizadas. O método de montagem tridimensional usando hologramas acústicos é mais rápido do que a bioimpressão serial e pode ser usado para montar formas arbitrárias em um único passo.

Outra possível aplicação em engenharia é na área de nanotecnologia, onde pode ser usado para a montagem de estruturas 3D de materiais nanoestruturados. Essas estruturas podem ser usadas em aplicações como eletrônica, sensores, fotônica e energia. O método de montagem tridimensional usando hologramas acústicos permite a montagem rápida de partículas em locais específicos em 3D, o que pode ser útil na fabricação de dispositivos nanoestruturados.

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Além disso, a técnica de aprisionamento de partículas usando campos acústicos estruturados pode ser aplicada em engenharia química para a separação de partículas em suspensões. A técnica pode ser usada para separar partículas de diferentes tamanhos e densidades, o que pode ser útil em processos industriais que envolvem a separação de partículas em suspensões.

Em resumo, o estudo de montagem tridimensional usando hologramas acústicos apresenta várias aplicações práticas em engenharia, incluindo a montagem de tecidos biológicos 3D, a fabricação de dispositivos nanoestruturados e a separação de partículas em suspensões. O método de montagem é rápido, preciso e não depende do tamanho do objeto, tornando-o uma ferramenta útil em muitas áreas de engenharia.

Para mais informações, recomendamos que leia o estudo completo publicado na Revista Science.

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