Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Geoff Nash von der Universität Exeter hat eine neue Struktur geschaffen, die die Extremfrequenz-Schallwellen – auch bekannt als Oberflächenakustikwellen oder "Nanobeben" – manipulieren kann, da sie ähnlich wie Erdbeben an Land über die Oberfläche eines festen Materials laufen.
Obwohl Oberflächenakustikwellen (SAWs) eine Schlüsselkomponente zahlreicher Technologien darstellen, haben sie sich als äußerst schwierig erwiesen, sie mit irgendeiner Genauigkeit zu kontrollieren. Nun hat das Team des Fachbereichs Naturwissenschaften der Universität Exeter eine neue Art von Struktur entwickelt, bekannt als 'phononischer Kristall', der, wenn er in ein Gerät eingefügt wird, dazu verwendet werden kann, die Nanobeben zu steuern und zu lenken.
Die Forschung wurde am 2. August 2017 in der führenden wissenschaftlichen Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Professor Nash, Hauptautor der Forschung, sagte: "Oberflächen-Akustikwellen-Geräte finden sich bereits in einer Vielzahl von Technologien, darunter Radarsysteme und chemische Sensorik, werden aber zunehmend für Anwendungen wie Labor-on-a-Chip entwickelt.
"Lab-on-a-chip-Ansätze verkleinen konventionelle Chemie- und Biologielabore auf wenige Millimeter, und SAWs in diesen Systemen können zum Transport und Mischen von Chemikalien oder zur Durchführung biologischer Funktionen wie Zellsortierung verwendet werden.
"Doch bis jetzt war es äußerst schwierig, eine Struktur wie unsere zu bauen, die leicht Oberflächenakustikwellen lenken kann. Unser neues phononisches Kristalldesign ist in der Lage, die Nanobeben mit nur wenigen Kristallelementen zu kontrollieren, was die Herstellung deutlich einfacher macht als die zuvor demonstrierten Elemente.
"Wir sind zuversichtlich, dass diese Ergebnisse den Weg für die nächste Generation neuartiger SAW-Gerätekonzepte ebnen werden, wie etwa Labor-on-a-Chip-Biosensoren, die auf der Steuerung und Manipulation von SAW-Nanobeben basieren. Noch bemerkenswerter ist, dass vorgeschlagen wurde, dass diese Bauwerke vergrößert werden könnten, um Schutz vor Erdbeben zu bieten."
Die innovative Studie begann als Bachelorprojekt mit den Studierenden Benjamin Ash und Sophie Worsfold, die zwei der vier Autoren der Forschungsarbeit sind. Ben promoviert derzeit in Exeter bei Professor Peter Vukusic, dem Endautor des Artikels, und Professor Nash im Exeter EPSRC Centre for Doctoral Training in Metamaterials.
Sophie sagte: "Die Zusammenarbeit mit Geoff und seiner Gruppe an meinem Bachelorprojekt war einer meiner Lieblingsteile meines Studiums. Obwohl ich mich jetzt zum Aktuar ausbilde, nutze ich viele der Fähigkeiten, die ich täglich gelernt habe, in meiner Rolle, und die Unabhängigkeit und das Selbstvertrauen, das ich gewonnen habe, haben sich als unschätzbar wertvoll für meine Karriere erwiesen. Ich bin unglaublich begeistert, Teil dieser bahnbrechenden Forschung gewesen zu sein."
Professor Nash, Direktor der Naturwissenschaften in Exeter, ergänzte: "Da ich relativ kürzlich aus der Industrie nach Exeter gewechselt bin, war es absolut fantastisch, unsere brillanten Bachelor-Studierenden in meine Forschung einbeziehen zu können. Sie bringen Energie, Begeisterung und eine andere Perspektive mit und leisten einen echten und äußerst wertvollen Beitrag zur Forschung meiner Gruppe.
Die Naturwissenschaften in Exeter sind ein innovatives Flaggschiffprogramm, das darauf ausgelegt ist, die wissenschaftlichen Konzepte zu erforschen, die zur Erklärung der natürlichen Welt benötigt werden – vom Nanomaßstab bis zu den komplexen Systemen des Erdklimas und unseres Sonnensystems.
