شکل 1: تشریح انبرک‌ صوتی توسط بارِش (Baresch) و همکاران. آرایه‌ای از مبدِل های صوتی (که در استوانه‌ی خاکستری قرار دارند)، یک –به اصطلاح- پرتوِ پیچاب تولید می‌کند. این‌گونه پرتوها، در امتداد محورشان دارای فشاری برابر با صفر هستند- معروف به "تنه‌ی سکوت"- ، که یک نیروی به دام‌اندازنده‌ی عرضی ایجاد می‌کند. یک عدسی (استوانه‌ی آبی رنگ) پرتو را متمرکز می‌کند تا در امتداد محورش، نیروی به دام اندازنده کافی به وجود بیاورد. پژوهش‌گران نشان دادند که این پرتو بر روی ذره‌ی زیر میلیمتری چنان نیروی کششی پر قدرتی ایجاد می‌کند که آن را به سوی محور پرتو کشانده، به دام می‌اندازد.

دام‌اندازی نوری، روش غالب برای انجام عملیات بر روی ذرات کوچک، بدون تماس فیزیکی است. اما تله‌های مبنی بر امواج صوتی ، برخلاف تله‌های نوری، می‌توانند با نیروی قوی‌تر ذرات (یا مجموعه ذرات) بزرگ‌تری را به دام بیاندازند و نیازمند آن نیستند که ذرات، خواص نوری خاصی داشته باشند و یا از طریق مسیر نوری شفافی قابل دسترسی باشند. به علاوه، امواج فراصوتی کمتر از امواج نوری در مواد زیستی اختلال ایجاد می‌کنند.

زمانی که موج صوتی بر روی ذره برهم کنش دارد، دو نیرو اعمال می‌کند، یکی نیروی نوسان‌گر و دیگری، نیروی بسیار کوچک‌تر "تابشی" که در حالت پایدار است. این نیروی آخری، نیرویی است که برای به دام انداختن و انجام عملیات به کار می‌رود. نیروهای تابشی از طریق پراکندگیِ یک موج صوتی در حال حرکت، یا از گرادیان‌های انرژیِ درونِ میدانِ صوتی تولید می‌شوند. این گرادیان‌ها از تغییرات در فشار و در سرعتِ ذرات صوتی –یعنی سرعتِ نوسانی ماده‌ی محیطی که در اثر میدان صوتی سبب شده- به دست می‌آیند. برای ذراتی که خیلی کوچک‌تر از طول موج صوت هستند، گرادیان‌های انرژی، بزرگ‌ترین نیروهای تابشی را تولید می‌کنند که ذرات را به سوی نواحی پُر(یا کم) فشار و سرعت می‌کشند(بسته به چگالی یا سفتی نسبی ذره). از این رو پرتوی با گرادیان‌های انرژی، که به طور مناسب شکل داده شده‌اند، می‌تواند برای به دام انداختن یا حرکت دادن یک ذره به کار برود.

"انبرک‌های صوتی" –نامی که گاه گدار به این میدان‌های صوتیِ شکل داده شده اطلاق می‌شود- تاکنون برای به دام انداختن یا انجام عملیات بر روی ذرات در گازها و مایع‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌بودند. اخیراً استفاده از آرایه‌های گسترده‌ی مبدل‌های صوتی به پژوهش‌گران امکان این را داده که حرکت چند ذره را به طور مستقل از یک‌دیگر کنترل کنند. اما تمام این موارد مستلزم آن بوده اند که یک منبع صوتی در یک طرف تله و منبعی دیگر یا بازتاب دهنده‌ای در طرف دیگر تله قرار داده شود. تله‌هایی که از تک منبع استفاده می‌کنند با استفاده از امواج صوتی با طول موج بسیار کوچک‌تر از اجسام به دام انداخته شده، طراحی شده‌اند. این تله های تک منبعی اما نیازمند یک غشای مهارکننده داشتند تا از اینکه نیروهای تابشی موجِ در حال حرکت، ذره را از امتداد محور پرتو  به بیرون براند، جلوگیری کند.

در مقابل، آزمایش‌های جدیدی که توسط گروه‌های پژوهشی در فرانسه و انگلیس به عمل آمده،  از امواج صوتی‌ای استفاده می‌کنند که از ذرات به دام انداخته شده بزرگ‌تر هستند. این به معنای آن است که روشِ گرادیان‌های انرژی، مکانیسمِ غالبِ به دام اندازی است. اما نیروهای تابشی که از پراکندگی ناشی می‌شوند، هنوز مسئله ساز هستند. به طور مشخص، زمانی که دو پرتوی صوتی که در جهت مخالف یکدیگر حرکت می‌کنند، یک موج ایستا تشکیل می‌دهند، سهم متقابل آنها برای ایجاد نیروهای تابشی تقریباً خنثی می‌شود. این امر در تله‌های یک سویه اتفاق نمی‌افتد. بنابراین ضرورت وجود نیروهای گرادیان منفی پیش می‌آید که ذره را به سمت مبدل بکشانند- چالشی بزرگ در طراحی.

پیچیدگی دیگر تله‌های یک سویه، ناشی از طبیعت نیروهای گرادیان است. اغلب ذراتی که مورد توجه هستند، از مایعی که آن‌ها را احاطه کرده سخت‌تر (قابلیت کمترفشرده شدن) و چگال‌تر هستند، بنابراین، این ذرات به نواحی‌ای که فشار صوتی کمتر وسرعت صوتی بیشتری دارند، جذب می‌شوند. در یک موج ساکن که از امواج تخت ساخته شده باشد، این دو ناحیه مذکور همپوشانی دارند، بنابراین برای به دام انداختن ذره، تک ناحیه‌ای پایدار محیا می‌کنند. اما در سیستم‌های یک سویه، فیزیک‌پژوهان به طور معمول از یک روش متمرکز کننده استفاده کرده اند که گرادیان های انرژی مورد نیاز را در پرتو صوتی تولید کنند. شوربختانه، این گونه تمرکز باعث به وجود آمدن نقطه‌ای می‌شود که در آن، فشار صوتی و سرعت هر دو برروی محور پرتو، بالا هستند  و این امر، به دام اندازی پایدار بیشتر مواد را غیر ممکن می‌سازد.

دو آزمایش جدید ارائه شده به طرق مختلف این موانع را حل کرده‌اند. دیِگو بارش از دانشگاه پیِر و ماری کوری فرانسه و همکاران‌اش، از یک آرایه مبدل و یک فناوریِ سنتز جبهه موج استفاده می‌کنند تا چیزی به اسم پرتو گرداب صوتی (تصویر ۱) بسازند. چنین پرتوی دارای فشار صوتی صفر در امتداد محورش است که از پراکندگی، که منجر به دفع نور ساده متمرکز از محور می‌شود، جلوگیری می‌کند و تله‌ی عرضی پر قدرتی محیا می‌کند. آنگاه پژوهشگران پرتو را، با استفاده از عدسی صوتی، متمرکز میکنند تا در امتداد محور پرتو، یک تله درست کنند.

تیمی که در دانشگاه بریستول انگلستان توسط سریرام سوبرامانیان و بروس درینکواتر Sriram Subramanian, Bruce Drinkwater    هدایت می‌شود، نیاز به عدسی صوتی را دور زد. و این کار را با بوجود آوردن یک میدان صوتی توسط آرایه‌ای از مبدل‌ها، که با یک الگوریتم بهینه سازی تحت کنترل خودشان بود، انجام داد. بار دیگر موفقیت رویکرد آنها، ساختن تله‌هایی است که در آن واحد، گرادیان‌های انرژی عرضی و و محوری را با دامنه کم فشار در محل تله ترکیب می‌کنند. نویسندگان نام تله صوتی «ساکت» را به آن می‌دهند. و چون تله‌ی آنها بدون عدسی است، آنها می‌توانند موقعیت آن را – لذا ذرات را- به سادگی با کنترل داده‌ها به آرایه، جا به جا کنند. این امر همچنین به آنها اجازه داده که توپولوژی‌های تله را به جز تله‌های گردابی، مورد بررسی قرار دهند. برای مثال، آنها یک -به اصطلاح- تله‌ی بطری ساخته‌اند که نیروهای دام‌اندازنده قوی‌تری در امتداد محور پرتو دارد، اما به قیمت ایجاد نیروهای به دام اندازنده ضعیف‌تر در جهت عمود به محور.

این تله‌های جدید به احتمال زیاد عمدتا در کاربردهای زیست پزشکی مورد توجه قرار می‌گیرند. انبرک‌های صوتی می‌توانند برای به دام انداختن، نگه داشتن و حرکت دادن سلول‌ها و تجمع آنها در محیطی کنترل شده مورد استفاده قرار گیرند و بدینگونه، با روشی بدون تماس فیزیکی، جایگزین میکروپیپت شوند. شاید بتوان با پیشرفت‌های بیشتر در این فن‌آوری، ذرات را در بدن انسان مهار نموده، بر روی‌شان عملیات انجام داد و برای مثال، مواد دارویی را در نقاط خاصی نگاه داشت. دستاوردهای جدید شاید به پژوهشگران امکان دهد به سطح بافت‌های نرم تنها از یک سو دست پیدا کنند، بدون این‌ که نیازی به نفوذ انرژی صوتی در بافت از دو سو باشد. تیم بریستول پیش‌بینی می‌کند که میدان‌های صوتی شاید وسیله‌ای برای انجام جراحی در ابعاد میکرو شود.

1. D. Baresch, J.-L. Thomas, and R. Marchiano, “Observation of a Single-Beam Gradient Force Acoustical Trap for Elastic Particles: Acoustical tweezers,” Phys. Rev. Lett. 116, 024301 (2016).
2. A. Marzo, S. A. Seah, B. W. Drinkwater, D. R. Sahoo, B. Long, and S. Subramanian, “Holographic Acoustic Elements for Manipulation of Levitated Objects,” Nature Commun. 6, 8661 (2015).
3. J. Wu, “Acoustical Tweezers,” J. Acoust. Soc. Am. 89, 2140 (1991).
4. D. Foresti and D. Poulikakos, “Acoustophoretic Contactless Elevation, Orbital Transport and Spinning of Matter in Air,” Phys. Rev. Lett. 112, 024301 (2014).
5. H. Bruus, J. Dual, J. Hawkes, M. Hill, T. Laurell, J. Nilsson, S. Radel, S. Sadhal, and M. Wiklund, “Forthcoming Lab on a Chip Tutorial Series on Acoustofluidics: Acoustofluidics—Exploiting Ultrasonic Standing Wave Forces and Acoustic Streaming in Microfluidic Systems for Cell and Particle Manipulation,” Lab Chip 11, 3579 (2011).
6. C. R. P. Courtney, C. E. M. Demore, H. Wu, A. Grinenko, P. D. Wilcox, S. Cochran, and B. W. Drinkwater, “Independent Trapping and Manipulation of Microparticles Using Dexterous Acoustic Tweezers,” Appl. Phys. Lett. 104, 154103 (2014).
7. J. Lee, S. Y. Teh, A. Lee, H. H. Kim, C. Lee, and K. K. Shung, “Single Beam Acoustic Trapping,” Appl. Phys. Lett. 95, 073701 (2009).
8. P. L. Marston, “Radiation Force of a Helicoidal Bessel Beam on a Sphere,” J. Acoust. Soc. Am. 125, 3539 (2009).