Hologramas acústicos de alta resolución

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Los hologramas ópticos son muy conocidos. Usando los mismos principios físicos se pueden fabricar hologramas acústicos. Nuestra limitada resolución espacial para oír en 3D impide que podamos disfrutar de la holofonía tanto como de la holografía. Su aplicación más interesante es la manipulación acústica de objetos en la microescala (como los sistemas de levitación acústica de pequeñas partículas, gotas o incluso células vivas). También podría tener aplicación en imagen biomédica mediante ultrasonidos, ya que el uso de la holofonía con ultrasonidos permite una reconstrucción tridimensional más fiable.

La holofonía, como la holografía, se basa en controlar la fase de las ondas acústicas. Las ondas sonoras son ondas de presión en el medio en el que se propagan, luego ejercen pequeñas fuerzas cuando inciden sobre micropartículas suspendidas en dicho medio. Estas fuerzas dependen de la fase de la onda, luego un holograma acústico permite controlar la distribución espacial de dichas fuerzas en una región tridimensional. Incluso se puede lograr que una micropartícula recorra un trayectoria en forma de letra S o que un grupo de micropartículas suspendidas se agrupe formando los contornos de una paloma. Los vídeos más abajo son realmente espectaculares.

El artículo es Kai Melde, Andrew G. Mark, …, Peer Fischer, «Holograms for acoustics,» Nature 537: 518–522 (22 Sep 2016), doi: 10.1038/nature19755; más información divulgativa en Adrian Neild, «Acoustics: Motion controlled by sound,» Nature 537: 493–494 (22 Sep 2016), doi: 10.1038/537493a.

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Generar un campo de presión a medida para controlar de forma precisa el movimiento de las micropartículas en suspensión es costoso. La nueva técnica de holofonía usa una impresora 3D para fabricar en plástico sólido el patrón que genera el holograma acústico. Gracias a una técnica tan sencilla se logra un alto nivel de control sobre el haz acústico que manipula los microobjetos. Como muestra este vídeo se logra mover partículas en círculo sobre la superficie de un fluido, posicionar micropartículas suspendidas de polidimetilsiloxano (PDMS) para mostrar los contornos de una paloma sobre la superficie, o incluso suspender dos gotitas en el aire.

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El método convencional para manipular los frentes de onda acústicos es usar una matriz de transductores («Un rayo tractor acústico para levitar y manipular objetos», LCMF, 28 Oct 2015; «#rosavientos: Un rayo tractor acústico para levitar objetos», LCMF, 08 Nov 2015). La complejidad de los frentes de onda está bastante limitada por la distancia entre los transductores acústicos (el equivalente los píxeles acústicos que definen la imagen del patrón). El nuevo método que usa hologramas acústicos monolíticos de plástico fabricados con impresoras 3D permite un control mucho más fino de los detalles (la resolución actual de las impresoras 3D es cien veces mayor de la longitud de onda del sonido usado).

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En los experimentos se usan ultrasonidos a 2,06 MHz (su longitud de onda en agua es de λ ≈ 750 μm) que inciden sobre un holograma cuadrado con 50 mm de lado. La resolución de la impresora 3D usada es de 375-μm (~λ/2), lo que equivale a usar unos 15.000 píxeles acústicos en el holograma. Lo más interesante es usar gradientes de fase uniformes (~1 rad/mm) que permiten definir una trayectoria para una micropartícula colocada sobre la superficie de un tanque de agua.

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No sólo se pueden controlar micropartículas suspendidas en un líquido, también se pueden hacer levitar en el aire. Aunque en este caso el control no es tan fino, ya que la longitud de onda λ = 3,4 mm de los ultrasonidos a 2,06 MHz en el aire es bastante mayor que en el agua. Aún así, se pueden definir dos pinzas acústicas con un diámetro de unos 3 mm (~λ) en las que hacer levitar dos gotas de agua o dos pequeñas bolitas de aluminio (cuya densidad es ρ = 2,7 g/cm³).

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La gran ventaja de los hologramas acústicos es la tridimensionalidad del perfil sonoro en fase. Gracias a ella se pueden proyectar diferentes imágenes en diferentes planos de enfoque. Esta imagen muestra perfiles con la forma de los números 1, 2 y 3 proyectados a 20, 30 y 40 mm de distancia del holograma. Realmente, sólo la imaginación pone trabas a los hologramas acústicos.

En resumen, un trabajo muy interesante del que me hago porque, en mi opinión, tiene una aplicación divulgativa y docente muy interesante. Aprovechar que los hologramas acústicos son fáciles de fabricar con cualquier impresora 3D para incorporarlos en los laboratorios de Física de nuestras universidades e institutos de enseñanza secundaria. En mucho cursos se podrán incorporar estos experimentos para el disfrute de los estudiantes (que, a nivel universitario, deberían calcular ellos mismos los patrones óptimos para las tareas que les asigne el profesor). Y, por cierto, quien sea el primero en hacerlo podrá publicarlo en revistas como American Journal of Physics. Por cierto, quien se atreva que lo comente por aquí y me haré eco en este blog.



1 Comentario

  1. Realmente interesante. Es una pena que nuestros oídos no den para mucho más que poder determinar de dónde procede un sonido, y no muy bien comparados con las rapaces nocturnas

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 27 septiembre, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nature • Physics • Science
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