Quên Laser. Công cụ mới nóng hổi cho các nhà vật lý là Âm thanh

Yushun Zeng nén tế bào ung thư trong bát petri tại nơi làm việc. Không, không phải bằng những ngón tay to lớn, không duyên của anh ấy. Zeng, một sinh viên ngành kỹ thuật tại Đại học Nam California, đã xây dựng một thiết bị có khả năng bắt giữ và nén tế bào bằng sóng âm thanh—hay còn gọi là âm thanh.

Mục đích của thí nghiệm là để kiểm tra giả định rằng tế bào ung thư mềm hơn so với tế bào khỏe mạnh, theo lời Zeng. Thí nghiệm trước đây cho thấy tế bào ung thư biến dạng dễ dàng hơn, điều này cho phép chúng di chuyển và lan metastasis khắp cơ thể. Nếu đúng như vậy, những thí nghiệm này có thể giúp các nhà nghiên cứu thiết kế phương pháp điều trị làm cứng tế bào ung thư để chúng trở nên “khó lan rộng trong cơ thể con người,” anh ấy nói.

Việc sử dụng âm thanh để nén các đối tượng là điều hoàn toàn hợp lý, khi bạn nhớ lại âm thanh là gì: một dao động đi qua vật chất, có thể là qua không khí, nước, hoặc một chiếc lon nhồi tai bạn. (Về mặt kỹ thuật, Zeng sử dụng siêu âm—tần số âm thanh cao quá để người nghe có thể nghe thấy.) Thiết bị của Zeng được gọi là “kéo âm thanh.” Kéo âm thanh biến dạng tế bào ung thư bằng cách sử dụng âm thanh như là một sóng áp lực, và đó là một ví dụ về cách các nhà khoa học mở rộng việc sử dụng âm thanh như một công cụ.

Khảo sát âm thanh, hoặc khoa học về âm thanh, “là một lĩnh vực cổ kính và rất chắc chắn,” theo lời nhà vật lý Andrea Alù của Đại học Thành phố New York. Công nghệ sớm, từ thế kỷ trước, chủ yếu xoay quanh âm nhạc, từ việc xây dựng âm thanh tốt hơn cho rạp hát đến thiết kế kiếm cài đàn. Trong thế kỷ 20, người ta nghĩ lại về âm thanh như một công cụ hình ảnh. Các nhà nghiên cứu quân sự phát triển công nghệ sonar để tìm tàu ngầm đối phương, sau đó các kỹ sư y tế đã điều chỉnh lại để hình ảnh thai nhi trong thai kỳ. Người ta bắt đầu sử dụng âm thanh để ánh xạ không gian, cho dù ở dưới biển hay trong cơ thể người.

Ngày nay, các kỹ sư đã nhìn nhận âm thanh một cách mới—tương tự như ánh sáng. Âm thanh, giống như ánh sáng, là một sóng. Do đó, cả hai đều thể hiện nhiều hiện tượng tương tự: Giọng nói của bạn vang dội trong một thung lũng, ví dụ, toán học tương tự như ánh sáng bật lại từ một gương. Trong nửa thế kỷ qua, các kỹ sư đã đạt được sự kiểm soát chưa từng có đối với ánh sáng, từ các phát minh như laser đến quang cơ học đến gương hai chiều đến hình ảnh ảo. Bây giờ, các kỹ sư đang điều chỉnh các công cụ để điều khiển sóng âm thanh thay vì. “Nhiều nhóm đã dịch ý tưởng từ quang học sang âm thanh,” theo lời của Alù.

Ví dụ, cái kẹp âm thanh được lấy cảm hứng từ một công cụ được biết đến là “kẹp quang,” được phát minh vào những năm 1980, đó là bản chất là một laser tập trung vào một điểm chặt. Một đối tượng đặt trong tia laser cảm nhận sự đẩy từ photon va vào nó. Các kỹ sư tạo hình tia sao cho đối tượng cảm nhận sự cân bằng của lực tại trọng tâm của laser. Thiết bị này hữu ích để nắm giữ những thứ siêu nhỏ: Các nhà khoa học đã bắt và điều chỉnh từng nguyên tử và phân tử đơn trong kẹp quang, và thậm chí sử dụng chúng để đo độ co giãn của đôi xoắn kép của ADN.

Thay vì laser tạo ra một dãy photon, kẹp âm thanh làm rung một đối tượng như chiếc chuông, tạo ra một dãy sóng âm trong một chất. Điều này tạo ra các khu vực áp suất cao và thấp. Tương tự như việc tập trung ánh sáng, Zeng điều chỉnh hình dạng của sóng âm để kiểm soát vị trí của những khu vực áp suất đó. Bằng cách đặt một vùng áp suất thấp qua một nhóm tế bào ung thư, ví dụ, Zeng có thể nén chúng bằng cách khiến chất lỏng xung quanh từ một khu vực áp suất cao tràn vào.

Âm thanh cũng có thể dẫn dắt các đối tượng bên trong cơ thể. Daniel Ahmed, một kỹ sư tại ETH Zurich ở Thụy Sĩ, gần đây đã sử dụng siêu âm để di chuyển những viên bi nhựa rỗng bên trong một phôi cá vược sống. Bằng cách thực hiện những thí nghiệm này, Ahmed nhằm mục tiêu chứng minh tiềm năng của việc sử dụng âm thanh để hướng dẫn thuốc đến một địa điểm mục tiêu trong cơ thể động vật, như một khối u. Tương tự như kẹp âm thanh, siêu âm tạo ra một mô hình lặp lại các khu vực áp suất thấp và cao trong phôi, cho phép Ahmed sử dụng túi áp suất để đẩy viên bi xung quanh. Các nghiên cứu khác đang nghiên cứu khả năng dẫn dắt của âm thanh để điều trị sỏi thận. Một nghiên cứu năm 2020, ví dụ, đã sử dụng siêu âm để di chuyển những viên sỏi trong bàng quang của lợn sống.

Các nhà nghiên cứu khác đang phát triển một công nghệ được biết đến là hình thái âm thanh để tạo hình sóng âm, nhằm thiết kế vị trí và hình dạng của các vùng áp suất trong một chất một cách chính xác hơn. Các nhà khoa học chiếu sóng âm qua một tấm mẫu được biết đến là hình thái âm thanh, thường được in 3D và thiết kế bằng máy tính. Nó tạo hình sóng âm một cách phức tạp, định trước, giống như một hình thái quang học làm cho ánh sáng. Cụ thể, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu làm thế nào họ có thể sử dụng hình thái âm thanh cho nghiên cứu về não, tập trung sóng siêu âm để nhắm đến một vị trí chính xác trong đầu, có thể hữu ích cho mục đích hình ảnh và điều trị.

Andrea Alù cũng khám phá cách mới để tạo hình sóng âm, nhưng không nhất thiết là phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Trong một bài thể hiện gần đây, đội ngũ của anh ấy kiểm soát âm thanh bằng Lego.

Để kiểm soát sự truyền sóng âm theo cách mới, đội ngũ của anh ấy xếp các khối nhựa trên một đĩa theo mô hình lưới, khiến chúng nổi lên như cây cỏ trong một khu rừng. Bằng cách rung đĩa, họ tạo ra sóng âm trên bề mặt của nó. Nhưng âm thanh di chuyển kỳ cục qua đĩa. Thông thường, sóng âm nên phân tán một cách đối xứng trong các vòng tròn tập trung, giống như làn sóng từ một viên sỏi rơi vào một ao. Alù có thể khiến âm thanh chỉ di chuyển theo những mô hình cụ thể.

Dự án của Alù lấy cảm hứng không phải từ ánh sáng, mà từ electron—mà theo cơ học lượng tử, đồng thời là sóng và hạt. Cụ thể, các viên Lego được thiết kế để mô phỏng mẫu tinh thể của một loại vật liệu được biết đến là graphene xoắn kép, làm hạn chế chuyển động của electron theo cách đặc biệt. Dưới điều kiện nhất định, electron chỉ chảy trên các mép của vật liệu này. Dưới điều kiện khác, vật liệu trở nên siêu dẫn điện, và electron hình thành cặp và di chuyển qua nó mà không có sự trở kháng điện.

Bởi vì electron di chuyển một cách kỳ lạ trong vật liệu này, nhóm của Alù dự đoán rằng hình học tinh thể, khi phóng to lên kích thước Lego, cũng sẽ hạn chế chuyển động của âm thanh. Trong một thí nghiệm, nhóm phát hiện rằng họ có thể khiến âm thanh phát ra dưới hình dạng quả trứng dài, hoặc trong những sóng gợn cong ra ngoài như đầu nỏ của một cây nỏ.

Những quỹ đạo âm thanh không thông thường này minh họa những tương đồng đáng kinh ngạc giữa âm thanh và electron, và gợi ý đến cách linh hoạt hơn trong việc kiểm soát truyền sóng âm, điều này có thể hữu ích cho hình ảnh siêu âm hoặc công nghệ âm thanh mà điện thoại di động phụ thuộc vào để giao tiếp với các trạm di động, theo lời Alù. Ví dụ, Alù đã tạo ra một thiết bị với nguyên tắc tương tự cho phép âm thanh chỉ lan truyền theo một hướng. Do đó, thiết bị có thể phân biệt giữa tín hiệu truyền và tín hiệu trả về, điều này có nghĩa là nó có thể kích hoạt công nghệ để truyền và nhận tín hiệu cùng tần số đồng thời. Điều này khác biệt với sonar, mà phát ra sóng âm và phải đợi cho âm thanh phản xạ trước khi gửi sóng vào môi trường một lần nữa.

Nhưng bỏ qua các ứng dụng, những thí nghiệm này đã thay đổi cách các nhà khoa học nghĩ về âm thanh. Đó không chỉ là một thứ bạn có thể phát từ mái nhà, thì thầm vào tai ai đó, hoặc thậm chí sử dụng để ánh xạ môi trường dưới biển. Nó đang trở thành một công cụ chính xác mà các nhà khoa học có thể tạo hình, chỉ đạo và điều khiển theo nhu cầu của họ.