Пузырек воздуха заперли в клетке ради акустической микроскопии

Физики создали акустический аналог сканирующей микроскопии ближнего поля на основе пузырька воздуха, который заперли в клетку кубической формы. Разрешающая способность прибора оказалась зависимой от сканируемого материала и составила несколько миллиметров в двух тестовых экспериментах. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.

Для неразрушающего контроля в материаловедении иногда необходимо уделить особое внимание упругим свойствам вещества: в этому случае исследователи используют акустическую микроскопию ближнего поля, где в качестве резонатора обычно выступает кантилевер, который при этом не всегда достаточно сильно взаимодействует с акустическим полем и размерами превышает длину волны, что, в свою очередь, ограничивает разрешающую способность прибора.

Отличными кандидатами для акустической микроскопии ближнего поля могут быть пузырьки газа в жидкости, поскольку с точки зрения акустики пузырьки — это резонансные рассеиватели с большим сечением рассеяния и субволновыми (то есть сравнимыми с длиной звуковой волны) размерами. При этом резонансные свойства пузырьков напрямую зависят от окружения, в которое они помещены, что также оказывается преимуществом, например, для сканирования композитных материалов. Однако для реализации подобного подхода нужно уметь манипулировать одиночным пузырьком, а эту задачу до сегодняшнего дня не удавалось решить.

Физики из Франции под руководством Эммануэля Босси (Emmanuel Bossy) из Университета Гренобль-Альпы придумали способ обойти ограничения в управлении одиночным пузырьком, заперев его в клетку кубической формы с длиной стороны в три миллиметра при толщине прутьев около половины миллиметра. Распечатанную на 3D-принтере ловушку исследователи покрыли гидрофобным составом, который обеспечил возможность запереть внутри пузырек воздуха эффективным размером примерно 2,7 миллиметра. Затем клетку поместили в резервуар с деминерализованной водой, а на боковой стенке подопытного аквариума авторы работы закрепили динамик для возбуждения резонансного состояния пузырька, которое измерили с помощью преобразователя.

Так как резонанс пузырька характеризуется несколькими независимыми параметрами: центральная частота, ширина линии и форма спектра — физикам удалось провести двумерное сканирование объектов. В первом эксперименте ученые расположили клетку с пузырьком на расстоянии в три миллиметра над двумерным образцом Эйфелевой башни и получили изображение с разрешением порядка нескольких миллиметров. Во время второго опыта исследователи использовали образец в виде четырех букв, покрыв одну из них клейкой лентой, которая в свою очередь сохранила на себе тонкий слой воздуха при погружении в воду. В итоге импровизированный акустический микроскоп позволил ученым с высокой точностью определить, на какой букве находилась пленка воздуха.

При этом физики подчеркнули, что разрешающая способность разработанной установки очень сильно зависит от сканируемого материала. Авторы работы также рассказали о дальнейших планах по улучшению метода: например, о расширении подхода до манипулирования несколькими пузырьками для изучения многократного рассеяния акустических волн и кооперативной эмиссии в сложных средах и метаматериалах.

Взаимодействие пузырьков воздуха в жидкости и акустических волн применяется учеными не только в микроскопии, но и для прецизионного манипулирования объектами. Например, мы уже писали о том, как физики улучшили акустический манипулятор с помощью пузырьков воздуха в воде.