Un equipo multidisciplinar de investigadores de Skoltech ha descubierto las frecuencias de resonancia de los frústulos de diatomeas. Estas capas de dióxido de silicio de estructura intrincada de microalgas unicelulares proporcionan un modelo prometedor para dispositivos electrónicos y ópticos inspirados en la naturaleza, como pequeños detectores de ultrasonido para imágenes médicas avanzadas y componentes para el procesamiento de señales ultrarrápido en microchips del futuro.

Sin embargo, será necesaria una mejor comprensión de las propiedades de las diatomeas frústulas para que estas interesantes aplicaciones se realicen, y el estudio reciente en Applied Physics Letters es un paso importante en esa dirección.

Las algas diatomeas, que representan aproximadamente una quinta parte del suministro de oxígeno de la Tierra y una cuarta parte de la biomasa del planeta, son un componente principal del plancton y una forma de vida ubicua que se encuentra en los océanos, vías fluviales y suelos del mundo.

El éxito evolutivo de las diatomeas (con sus cáscaras duras y livianas hechas de dióxido de silicio y marcadas con intrincados patrones de agujeros) ha llevado a los científicos a estudiar sus propiedades y estructura y explotarlas en una variedad de materiales y bienes de consumo, desde abrasivos para pulir metales y pasta de dientes. hasta sistemas de purificación de agua y arena para gatos. Ahora, las aplicaciones más tecnológicas están esperando su turno.

"Este estudio combina simulaciones por computadora con un experimento", comentó la autora principal del artículo, la científica investigadora de Skoltech Julijana Cvjetinovic. "Las simulaciones nos permitieron predecir las frecuencias de resonancia de las diatomeas dentro del rango de 1 a 8 MHz, y utilizamos un microscopio de fuerza atómica para proporcionar la primera validación experimental de estas frecuencias". Las mediciones fueron realizadas por el científico investigador senior de Skoltech, Sergey Luchkin.

Conocer las frecuencias de resonancia de estas estructuras microscópicas es crucial para explotar su diseño, optimizado por la naturaleza, en pequeños dispositivos que combinan partes móviles con la óptica (circuitos integrados fotónicos o PIC) o con la electrónica (sistemas microelectromecánicos, también conocidos como dispositivos MEMS):los micrófonos. en dispositivos portátiles, los sensores de presión de los neumáticos de los coches, los acelerómetros de los equipos de realidad virtual, los altavoces de los audífonos intrauditivos, los sensores centrales de los sistemas de navegación de los aviones, etc.

"En tales dispositivos, se podrían utilizar estructuras que emulen conchas de diatomeas como componentes primarios y, en este sentido, nuestros hallazgos son particularmente relevantes para el diseño de micrófonos y otros sensores basados ​​en vibraciones", dijo Cvjetinovic. "Pero además de eso, podrían servir como amortiguadores de vibraciones. Verá, en dispositivos que funcionan a una escala tan pequeña, incluso vibraciones comparativamente leves pueden afectar negativamente al rendimiento. Y las estructuras que imitan las frústulas de diatomeas podrían mitigar eso".

El co-investigador principal del estudio, el profesor de Skoltech Dmitry Gorin, que dirige el laboratorio de biofotónica de Skoltech, se centró en una de las posibles aplicaciones de los micrófonos:"Nuestro laboratorio está desarrollando una técnica avanzada de diagnóstico médico llamada optoacústica, que implica excitantes vibraciones de ultrasonido en ciertos objetos. (células sanguíneas, capilares, vasos, etc.) en el cuerpo con deformación térmica inducida por un pulso láser y luego señalando su ubicación mediante detectores de ultrasonido muy sensibles."

"Es una técnica de obtención de imágenes precisa y sin rayos X que podría beneficiarse de los detectores de ultrasonido basados ​​en PIC con membranas que emulan conchas de diatomeas".

Anteriormente, los investigadores de Skoltech propusieron una sonda endoscópica optoacústica para microcirugía y diagnóstico médico. También utilizaron un microscopio electrónico de barrido en un experimento exigente que reveló cómo las propiedades mecánicas estáticas y dinámicas de los frústulos de diatomeas están relacionadas con su estructura.

Este conocimiento informó la simulación por computadora en el artículo reciente en Applied Physics Letters. , lo que también habría sido imposible sin el trabajo teórico pionero sobre el cálculo de la frecuencia resonante de las diatomeas realizado por el profesor de Skoltech Alexander Korsunsky, quien también fue el co-investigador principal del nuevo estudio.

Las posibilidades para continuar con esta línea de investigación, según el equipo, incluyen el desarrollo de estructuras artificiales inspiradas en diatomeas y el estudio de su integración en detectores de ultrasonido basados ​​en PIC como membranas altamente sensibles.

Más información: Julijana Cvjetinovic et al, Sondeo de modos propios vibratorios en frústulos de diatomeas mediante estudio computacional in silico combinado y experimentación con microscopía de fuerza atómica, Cartas de física aplicada (2023). DOI:10.1063/5.0171503

Información de la revista: Cartas de Física Aplicada

Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo