微小藻类的玻璃壳激发了用于医学成像的微型超声波探测器
发布时间：2023-12-14 11:00:09 阅读数： 32
来源:斯科尔科沃科学技术研究所
来自Skoltech的一个多学科研究小组发现了硅藻体的共振频率。这些结构复杂的单细胞微藻二氧化硅外壳为受自然启发的电子和光学器件提供了一个有前途的模型，例如用于先进医学成像的微型超声探测器和用于未来微芯片中超快信号处理的组件。
然而，要实现这些令人兴奋的应用，需要更好地了解硅藻结构的性质，而最近发表在《应用物理快报》上的研究是朝着这个方向迈出的重要一步。硅藻约占地球氧气供应的五分之一，占地球生物量的四分之一，是浮游生物的主要成分，是世界海洋、水道和土壤中普遍存在的一种生命形式。
硅藻进化的成功——它们坚硬而轻便的外壳由二氧化硅制成，上面有复杂的孔图案——促使科学家们研究它们的特性和结构，并在一系列材料和消费品中利用它们，从金属抛光磨料和牙膏到水净化系统和猫砂。现在，教师申请正在等待他们的机会。“这项研究将计算机模拟与实验相结合，”该论文的主要作者、斯科尔泰克研究科学家Julijana Cvjetinovic评论道。“模拟使我们能够预测硅藻在1-8 MHz范围内的共振频率，我们使用原子力显微镜对这些频率进行了首次实验验证。”测量由Skoltech高级研究科学家Sergey Luchkin完成。
了解这些微观结构的共振频率对于利用其设计至关重要，在将运动部件与光学(光子集成电路，或PICs)或电子(微机电系统，又称MEMS设备)相结合的微型设备中进行自然优化。便携式设备中的麦克风、汽车轮胎中的压力传感器、虚拟现实设备中的加速度计、入耳式助听器的扬声器、飞机导航系统的核心传感器等等。“在这种装置中，模拟硅藻壳的结构可以用作主要部件，在这方面，我们的发现与麦克风和其他基于振动的传感器的设计特别相关，”Cvjetinovic说。“但除此之外，它们还可以作为减震器。你看，在如此小的范围内运行的设备，即使是相对轻微的振动也会对性能产生不利影响。而模仿硅藻体的结构可以缓解这种情况。"
该研究的联合首席研究员、斯科尔理工大学生物光子学实验室负责人德米特里·戈林教授，放大了麦克风的一个潜在应用:“我们的实验室正在研究一种被称为光声学的先进医学诊断技术，该技术涉及在人体的某些物体(血细胞、毛细血管、血管等)中激发超声振动，通过激光脉冲引起的热变形，然后通过非常灵敏的超声波探测器精确定位它们的位置。”
“这是一种精确的无x射线成像技术，可以从基于pic的超声探测器中受益，该探测器带有模拟硅藻壳的膜。”
此前，Skoltech的研究人员提出了一种用于显微外科和医学诊断的光声内窥镜探针。他们还使用扫描电子显微镜进行了一项严格的实验，揭示了硅藻小体的静态和动态力学特性与它们的结构之间的关系。这些知识为最近发表在《应用物理快报》上的计算机模拟提供了信息，如果没有Skoltech教授Alexander Korsunsky在硅藻共振频率计算方面的开创性理论工作，这也是不可能的，他也是这项新研究的联合首席研究员。根据该团队的说法，继续这一探索的可能性包括开发人工硅藻结构，并研究将其集成到基于pic的超声探测器中，作为高灵敏度的膜。
