Zugreifen mit Schallwellen

Blacksburg (USA) - Schallwellen übertragen nicht nur Geräusche. Über ihren Schalldruck können sie auch Objekte bewegen. Wummernde Bässe lassen so den Boden eines Konzertsaals vibrieren oder Töne aus einem Lautsprecher bringen einen Tischtennisball über der Membran zum Hüpfen. Amerikanische Forschende gingen nun einen großen Schritt weiter und verwandeln Schallwellen in ein vielseitiges Werkzeug, mit dem sich winzige Objekte gezielt steuern oder sogar greifen lassen. Möglich wird dieses Kunststück mit einem speziellen Chip, dessen Aufbau sie in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ beschreiben.

Für ihre Entwicklung einer Schall-Zange erzeugten Jiali Li von der Virginia Tech in Blacksburg und ihr Team zuerst akustische Oberflächenwellen. Dafür nutzten sie ein piezoelektrisches Modul, das über Strompulse zu Schwingungen angeregt wird. Diese Schwingungen werden auf die umgebende Luft übertragen und es bilden sich Schall- und Ultraschallwellen im Frequenzbereich zwischen 100 und zwei Millionen Kilohertz. Der Mensch kann diese hochfrequenten Schallwellen nur noch zum kleinen Teil wahrnehmen. Doch entlang ihrer Ausbreitung entlang einer Oberfläche können sie leichte Objekte vor sich herschieben.

Für komplexere Aktionen bis hin zu einem akustischen Greifer müssen diese Schallwellen allerdings noch gezielt manipuliert werden. Die Arbeitsgruppe von Jiali Li entwickelte dazu einen kleinen Chip mit zahlreichen, filigranen und symmetrisch angeordneten Strukturen aus Chrom, Gold und kristallinem Lithiumniobat. Solche Strukturen werden auch als Metamaterial bezeichnet. Laufen nun Schallwellen über diesen Chip, lassen sie sich – elektronische gesteuert – gezielt manipulieren. Sowohl Frequenzen und Wellenform als auch die Ausrichtung der Schallwellen konnten die Forschenden so nach ihren Wünschen verändern. Die Wirkungsweise des Chips auf Schallwellen ist mit Fingern vergleichbar, die eine Knetmasse in nahezu beliebige Strukturen verformt.

So gelang etwa die Bildung von akustischen, extrem gebündelten Strahlen, die die Schallenergie über weite Distanzen transportierten ohne zu streuen. Auch die Aufspaltung in zwei parallele Schallstrahlen, die Objekte zwischen sich einklemmen können, war möglich. Wieder andere Wellenmuster konnten kleine Objekte an vorher festgelegten Orten festhalten. In ersten Versuchen schafften es die Forschenden, millionstel Meter kleine Quarzkügelchen nach Belieben zu lenken und sogar festzuhalten. Auch Nanoröhrchen aus Kohlenstoff konnten mit den manipulierten Schallwellen präzise ausgerichtet werden. Sogar eine Schalldiode ließ sich erschaffen, die Schallwellen in eine Richtung verstärkte und in die entgegengesetzte Richtung blockierte.

Mit diesen ersten Experimenten zeigten die Forschenden, dass solche Schall-Chips in Zukunft viele Anwendungen möglich machen könnten. Mit der Schall-Diode ließe sich die Verarbeitung elektronischer Signale optimieren. Eine akustische Pinzette könnte im Labor für eine bessere Analytik von Proben eingesetzt werden. Aber auch eine Anwendung als nichtinvasives Werkzeug in der Mikrochirurgie halten die Forschenden für möglich.