Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Geoff Nash von der University of Exeter hat eine neue Struktur geschaffen, die die extrem frequenten Schallwellen – auch bekannt als akustische Oberflächenwellen oder "Nanobeben" – manipulieren kann, wenn sie über die Oberfläche eines festen Materials laufen, ähnlich wie Erdbebenerschütterungen an Land.
Obwohl akustische Oberflächenwellen (SAWs) eine Schlüsselkomponente einer Vielzahl von Technologien sind, haben sie sich als äußerst schwierig erwiesen, sie mit einem gewissen Grad an Genauigkeit zu kontrollieren. Jetzt hat das Team der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Exeter eine neue Art von Struktur entwickelt, die als "phononischer Kristall" bekannt ist und die, wenn sie in ein Gerät eingebaut wird, zur Steuerung und Steuerung der Nanobeben verwendet werden kann.
Die Studie wurde am 2. August 2017 in der führenden Wissenschaftszeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Professor Nash, Hauptautor der Studie, sagte: "Oberflächenakustische Wellengeräte sind bereits in einer Vielzahl von Technologien zu finden, darunter Radarsysteme und chemische Sensorik, werden aber zunehmend für Anwendungen wie Lab-on-a-Chip entwickelt.
"Lab-on-a-Chip-Ansätze schrumpfen herkömmliche Chemie- und Biologielabore auf die Größe von wenigen Millimetern, und SAWs in diesen Systemen können zum Transportieren und Mischen von Chemikalien oder für biologische Funktionen wie die Zellsortierung eingesetzt werden.
"Bisher war es jedoch extrem schwierig, eine Struktur wie unsere herzustellen, mit der akustische Oberflächenwellen leicht gelenkt werden können. Unser neues phononisches Kristalldesign ist in der Lage, die Nanobeben mit nur einer Handvoll Kristallelementen zu kontrollieren, was die Herstellung wesentlich einfacher macht als die bisher demonstrierten.
"Wir sind zuversichtlich, dass diese Ergebnisse den Weg für die nächste Generation neuartiger SAW-Gerätekonzepte ebnen werden, wie z. B. Lab-on-a-Chip-Biosensoren, die auf der Kontrolle und Manipulation von SAW-Nanobeben beruhen. Noch bemerkenswerter ist, dass vorgeschlagen wurde, dass diese Strukturen skaliert werden könnten, um Schutz vor Erdbeben zu bieten."
Die innovative Studie begann als Bachelor-Projekt mit den Studenten Benjamin Ash und Sophie Worsfold, die zwei der vier Autoren der Forschungsarbeit sind. Ben promoviert derzeit in Exeter bei Professor Peter Vukusic, dem Endautor der Arbeit, und Professor Nash am Exeter EPSRC Centre for Doctoral Training in Metamaterials.
Sophie sagte: "Die Arbeit mit Geoff und seiner Gruppe für mein Bachelor-Projekt war einer meiner Lieblingsteile meines Studiums. Obwohl ich jetzt eine Ausbildung zum Versicherungsmathematiker mache, wende ich viele der Fähigkeiten, die ich Tag für Tag gelernt habe, in meiner Rolle an, und die Unabhängigkeit und das Selbstvertrauen, die ich gewonnen habe, haben sich bei der Verfolgung meiner Karriere als von unschätzbarem Wert erwiesen. Ich freue mich sehr, Teil dieser bahnbrechenden Forschung gewesen zu sein."
Professor Nash, der Direktor für Naturwissenschaften in Exeter ist, fügte hinzu: "Nachdem ich erst vor relativ kurzer Zeit von der Industrie nach Exeter gezogen bin, war es absolut fantastisch, unsere brillanten Studenten in meine Forschung einbeziehen zu können. Sie bringen Energie, Enthusiasmus und eine andere Perspektive mit und leisten einen echten und äußerst wertvollen Beitrag zur Forschung meiner Gruppe.
Natural Sciences at Exeter ist ein innovatives Flaggschiff-Programm, das darauf abzielt, die wissenschaftlichen Konzepte zu erforschen, die zur Erklärung der natürlichen Welt erforderlich sind, von der Nanoskala bis hin zu den komplexen Systemen des Erdklimas und unseres Sonnensystems.
