Datum objave: 01.12.2022
Kategorija: Interdisciplinarne raziskave
Cilji trajnostnega razvoja: 3 Zdravje in dobro počutje, 9 Industrija, inovacije in infrastruktura (kazalniki)
Potreba po ultrazvoku z visoko amplitudo in frekvenco za slikanje z visoko prostorsko ločljivostjo ali za ablacijo tarč, ki so globoko v biološkem tkivu, je prinesla nove izzive ter pripeljala do razvoja novega razreda funkcionalnih materialov, opredeljenih kot fotoakustični ali »piezofotonični«. Visokofrekvenčni ultrazvok, ki temelji na tradicionalnem piezoelektričnem pretvorniku, se sicer pogosto uporablja, vendar pa je razdalja širjenja valov omejujoč dejavnik zaradi močnega slabljenja v vodi in biološkem tkivu. Poleg tega je lahko njegova miniaturizacija v frekvenčnem območju MHz zahtevna in draga. Fotoakustični pristop, ki temelji na bliskovnem optičnem vzbujanju fotoakustičnih materialov, zagotavlja ultrazvočne valove z visokimi amplitudami in visoko frekvenco. S tem se kar najbolj zmanjša količina uporabljenih električnih komponent in kablov ter se odprejo nove priložnosti.
Raziskovalci Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani so v sodelovanju z Institutom Jožef Stefan razvili film iz kompozita grafen-polidimetilsiloksana (PDMS) na fleksibilnem substratu za fotoakustično generiranje ultrazvoka. Razvit je bil preprost dvofazni protokol priprave, ki zagotavlja dobro disperzijo grafena v polimerni matrici in nadzorovano izdelavo filma v velikem obsegu. Izdelani kompozit temelji na dveh komponentah: grafenu, ki deluje kot sloj, ki absorbira svetlobo, in PDMS-u kot razteznem sloju. Dvodimenzionalni grafen je bil izbran zaradi svoje nizke gostote, visokega razmerja stranic in stabilnosti v številnih topilih. Samo 1 % mase grafena, razpršenega v polimerni matrici, omogoča absorpcijo > 80 % svetlobe v bližnjem infrardečem območju. Rezultati so pokazali, da je dosegljivi tlak ultrazvočnega ravninskega vala 11 MPa, kompozit pa je odporen na naraščajočo lasersko fluenco do 300 mJ/cm2. Te vrednosti so razmeroma visoke v primerjavi z drugimi fotoakustičnimi materiali ali napravami na osnovi različnih ogljikovih nanostruktur. Raziskava je pokazala, da je mogoče prostostoječi kompozit preprosto vgraditi na površino optične leče in tako ustvariti visokointenzivni fokusirani ultrazvok. Ta fotoakustična leča lahko sproži ultrazvočne valove z visoko amplitudo (> 40 MPa) s centralno frekvenco 11 MHz in pasovno širino 21,5 MHz pri –6 dB. Opazovanje fotoakustičnega procesa pri večji amplitudi tlaka razkriva, da v vodi in agarju, ki se uporablja za simulacijo tkiv, nastanejo kavitacijski mikromehurčki, ki so omejeni vzdolž osi fotoakustične leče. Zato lahko to nevidno orodje, odvisno od laserske energije oziroma intenzivnosti tlaka, uporabimo kot skalpel ali pisalo ter tako utremo pot novim fotoakustičnim medicinskim napravam in integriranim komponentam.
Raziskava je bila izvedena v Laboratoriju za lasersko tehniko na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani (Daniele Vella, Matija Jezeršek) in na Institutu Jožef Stefan (Aleš Mrzel, Aljaž Drnovšek, Vasyl Shvalya). Rezultati raziskave so predstavljeni v znanstvenem članku »Ultrasonic photoacoustic emitter of graphene-nanocomposites film on a flexible substrate«, objavljenem v reviji Photoacoustics. Aleš Mrzel (Odsek za kompleksne snovi – IJS), Daniele Vella (FS UL) in Matija Jezeršek (FS UL) so vložili tudi patentno prijavo.
Članek je prosto dostopen na naslednjih povezavah:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213597922000787
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213597922000787Prikaz principa generiranja ultrazvoka v kompozitu na osnovi termoelastičnih učinkov (zgoraj). Spodnja slika: skica fotoakustične leče (levo), krivulja ultrazvočnega vala, zabeležena med poskusom, in njegova Schlierenova slika v fokusu (sredina), frekvenčni spekter ultrazvočnega vala (desno).