Multidisciplinarni tim istraživača iz Skoltecha otkrio je rezonantne frekvencije dijatomejske frustule. Ove zamršeno strukturirane školjke jednoćelijskih mikroalgi od silicijum dioksida obezbeđuju obećavajući model za elektronske i optičke uređaje inspirisane prirodom, kao što su mali ultrazvučni detektori za napredno medicinsko snimanje i komponente za ultrabrzu obradu signala u mikročipovima budućnosti.
Međutim, biće potrebno bolje razumevanje svojstava dijatomejske frustule da bi se ostvarile ove uzbudljive aplikacije, a nedavna studija u Applied Phisics Letters je važan korak u tom pravcu.
Sa oko jedne petine Zemljinog snabdevanja kiseonikom i četvrtine biomase planete, dijatomejske alge su glavna komponenta planktona i sveprisutni oblik života koji se nalazi u okeanima, vodenim putevima i zemljištu sveta.
Evolucioni uspeh dijatomeja – sa njihovim tvrdim i laganim školjkama napravljenim od silicijum dioksida i obeleženim složenim obrascima rupa – naveo je naučnike da proučavaju njihova svojstva i strukturu i koriste ih u nizu materijala i robe široke potrošnje, od abraziva za poliranje metala i paste za zube. na sisteme za prečišćavanje vode i mačje leglo. Sada, naprednije aplikacije čekaju svoj red.
„Ova studija kombinuje kompjuterske simulacije sa eksperimentom“, prokomentarisala je vodeći autor rada, naučnik Skoltech-a Julijana Cvjetinović. „Simulacije su nam omogućile da predvidimo rezonantne frekvencije dijatomeja u opsegu od 1-8 MHz, a mi smo koristili mikroskop atomske sile da pružimo prvu eksperimentalnu validaciju ovih frekvencija.“ Merenja je izvršio Skoltech viši naučni naučnik Sergej Lučkin.
Poznavanje rezonantnih frekvencija ovih mikroskopskih struktura je ključno za korišćenje njihovog dizajna, optimizovanog po prirodi, u malim uređajima koji kombinuju pokretne delove sa optikom (fotonska integrisana kola ili PIC) ili sa elektronikom (mikroelektromehanički sistemi, poznatiji kao MEMS uređaji): mikrofoni u prenosivim uređajima, senzorima pritiska u automobilskim gumama, akcelerometrima u opremi za virtuelnu realnost, zvučnicima za slušne aparate u uhu, senzorima u srcu navigacionih sistema aviona, itd.
„U takvim uređajima, strukture koje simuliraju školjke dijatomeja mogle bi da se koriste kao primarne komponente i u tom pogledu naši nalazi su posebno relevantni za dizajn mikrofona i drugih senzora zasnovanih na vibracijama“, rekao je Cvjetinović. „Ali pored toga, oni bi mogli da služe kao prigušivači vibracija. Vidite, u uređajima koji rade na tako maloj skali, čak i relativno male vibracije mogu negativno da utiču na performanse. A strukture koje oponašaju dijatomejske frustule mogu to da ublaže.“
Glavni istraživač studije, profesor Skoltech-a Dmitri Gorin, koji vodi Skoltechovu laboratoriju za biofotoniju, zumirao je jednu od potencijalnih aplikacija u mikrofonima: „Naša laboratorija se bavi naprednom medicinskom dijagnostičkom tehnikom zvanom optoakustika, koja uključuje uzbudljive vibracije ultrazvučnih objekata u određenim vibracijama objekata. — krvne ćelije, kapilare, sudovi, itd. — u telu sa termičkom deformacijom izazvanom laserskim impulsom, a zatim utvrđivanjem njihove lokacije preko veoma osetljivih ultrazvučnih detektora.“
„To je precizna tehnika snimanja bez rendgenskih zraka koja bi mogla imati koristi od ultrazvučnih detektora zasnovanih na PIC-u sa membranama koje emuliraju školjke dijatomeja.“
Ranije su istraživači Skoltecha predložili optoakustičnu endoskopsku sondu za mikrohirurgiju i medicinsku dijagnostiku. Takođe su stavili skenirajući elektronski mikroskop za upotrebu u egzaktnom eksperimentu koji je otkrio kako su statičke i dinamičke mehaničke osobine dijatomejske frustule povezane sa njihovom strukturom.
Ovo saznanje je informisalo kompjutersku simulaciju u nedavnom radu u Applied Phisics Letters, što bi takođe bilo nemoguće bez pionirskog teorijskog rada na proračunu dijatomske rezonantne frekvencije od strane profesora Skoltech-a Aleksandra Korsunskog, koji je takođe bio ko-glavni istraživač na novoj studiji.
Mogućnosti za nastavak ove linije istraživanja, prema timu, uključuju razvoj veštačkih struktura inspirisanih dijatomejem i proučavanje njihove integracije u ultrazvučne detektore zasnovane na PIC-u kao visoko osetljive membrane.
