Le nébuliseur breveté « Respite » utilise des ondes sonores à haute fréquence pour administrer avec précision les médicaments aux poumons. Crédit :Université RMIT
Des chercheurs ont révélé comment les ondes sonores à haute fréquence peuvent être utilisées pour construire de nouveaux matériaux, fabriquer des nanoparticules intelligentes et même délivrer des médicaments aux poumons sans douleur, vaccinations sans aiguille.
Alors que les ondes sonores font partie de la science et de la médecine depuis des décennies - les ultrasons ont été utilisés pour la première fois pour l'imagerie clinique en 1942 et pour conduire des réactions chimiques dans les années 1980 - les technologies ont toujours reposé sur les basses fréquences.
Aujourd'hui chercheurs à l'Université RMIT de Melbourne, Australie, ont montré comment les ondes sonores à haute fréquence pourraient révolutionner le domaine de la chimie par ultrasons.
Une nouvelle revue publiée dans Sciences avancées révèle les effets bizarres de ces ondes sonores sur les matériaux et les cellules, comme des molécules qui semblent s'ordonner spontanément après avoir été heurtées par l'équivalent sonore d'une semi-remorque.
Les chercheurs détaillent également diverses applications passionnantes de leur travail de pionnier, comprenant:
Chercheur principal, le professeur distingué Leslie Yeo et son équipe ont passé plus d'une décennie à étudier l'interaction des ondes sonores à des fréquences supérieures à 10 MHz avec différents matériaux.
Mais Yeo dit qu'ils commencent seulement maintenant à comprendre la gamme de phénomènes étranges qu'ils observent souvent en laboratoire.
"Lorsque nous couplons des ondes sonores à haute fréquence dans des fluides, matériaux et cellules, les effets sont extraordinaires, " il dit.
« Nous avons exploité la puissance de ces ondes sonores pour développer des technologies biomédicales innovantes et synthétiser des matériaux avancés.
"Mais nos découvertes ont également changé notre compréhension fondamentale de la chimie basée sur les ultrasons et ont révélé à quel point nous en savons vraiment peu.
"Essayer d'expliquer la science de ce que nous voyons et ensuite l'appliquer pour résoudre des problèmes pratiques est un défi important et passionnant."
Ondes soniques :comment alimenter la chimie avec le son
L'équipe de recherche RMIT, qui comprend le Dr Amgad Rezk, Dr Heba Ahmed et Dr Shwathy Ramesan, génère des ondes sonores à haute fréquence sur une puce électronique pour manipuler avec précision des fluides ou des matériaux.
Un MOF créé acoustiquement, avec la puce qui a produit les ondes sonores à haute fréquence utilisées dans le processus. Crédit :Université RMIT
Les ultrasons ont longtemps été utilisés à basse fréquence - environ 10 kHz à 3 MHz - pour entraîner des réactions chimiques, un domaine connu sous le nom de « sonochimie ».
A ces basses fréquences, les réactions sonochimiques sont entraînées par la violente implosion de bulles d'air.
Ce processus, connu sous le nom de cavitation, entraîne des pressions énormes et des températures ultra-élevées, comme un autocuiseur minuscule et extrêmement localisé.
Mais il s'avère que si vous augmentez la fréquence, ces réactions changent complètement.
Lorsque des ondes sonores à haute fréquence ont été transmises dans divers matériaux et cellules, les chercheurs ont observé un comportement qui n'avait jamais été observé avec les ultrasons à basse fréquence.
"Nous avons vu des molécules auto-ordonnées qui semblent s'orienter dans le cristal le long de la direction des ondes sonores, " dit Yeo.
"Les longueurs d'onde sonores impliquées peuvent être supérieures à 100, 000 fois plus gros qu'une molécule individuelle, Il est donc incroyablement étonnant de voir comment quelque chose d'aussi petit peut être manipulé avec précision avec quelque chose d'aussi gros.
"C'est comme conduire un camion à travers une dispersion aléatoire de briques Lego, puis trouver ces pièces s'empilent bien les unes sur les autres, cela ne devrait pas arriver !"
Avancées biomédicales
Alors que la cavitation à basse fréquence peut souvent détruire les molécules et les cellules, ils restent pour la plupart intacts sous les ondes sonores à haute fréquence.
Cela les rend suffisamment doux pour être utilisés dans des dispositifs biomédicaux pour manipuler des biomolécules et des cellules sans affecter leur intégrité, la base des diverses technologies d'administration de médicaments brevetées par l'équipe de recherche RMIT.
L'un de ces dispositifs brevetés est un bon marché, nébuliseur avancé léger et portable qui peut délivrer avec précision de grosses molécules telles que l'ADN et les anticorps, contrairement aux nébuliseurs existants.
Cela ouvre le potentiel pour indolore, vaccinations et traitements sans aiguille.
Le nébuliseur utilise des ondes sonores à haute fréquence pour exciter la surface du fluide ou du médicament, générant une fine brume qui peut délivrer des molécules biologiques plus grosses directement dans les poumons.
Distingué professeur Leslie Yeo, Responsable du laboratoire de recherche en micro/nanophysique de l'université RMIT. Crédit :Université RMIT
La technologie du nébuliseur peut également être utilisée pour encapsuler un médicament dans des nanoparticules polymères protectrices, dans un processus en une seule étape associant nano-fabrication et délivrance de médicaments.
En outre, les chercheurs ont montré que l'irradiation des cellules avec des ondes sonores à haute fréquence permet d'insérer des molécules thérapeutiques dans les cellules sans endommager, une technique qui peut être utilisée dans les thérapies cellulaires émergentes.
Matériaux intelligents
L'équipe a utilisé les ondes sonores pour entraîner la cristallisation pour la production durable de cadres métallo-organiques, ou MOF.
Prévu pour être le matériau déterminant du 21e siècle, Les MOF sont idéaux pour détecter et piéger des substances à des concentrations infimes, purifier l'eau ou l'air, et peut également contenir de grandes quantités d'énergie, pour fabriquer de meilleures batteries et dispositifs de stockage d'énergie.
Alors que le processus conventionnel de fabrication d'un MOF peut prendre des heures ou des jours et nécessite l'utilisation de solvants agressifs ou de processus énergétiques intensifs, l'équipe RMIT a développé un technique basée sur les ondes sonores qui peut produire un MOF personnalisé en quelques minutes et peut être facilement étendue pour une production de masse efficace.
Les ondes sonores peuvent également être utilisées pour la nano-fabrication de matériaux 2D, qui sont utilisés dans une myriade d'applications, des circuits électriques flexibles aux cellules solaires.
Évoluer et repousser les limites
Les prochaines étapes pour l'équipe RMIT sont axées sur la mise à l'échelle de la technologie.
À un faible coût de seulement 0,70 $ US par appareil, les micropuces génératrices d'ondes sonores peuvent être produites à l'aide des procédés standard de fabrication en série de puces de silicium pour ordinateurs.
« Cela ouvre la possibilité de produire des quantités industrielles de matériaux avec ces ondes sonores grâce à une parallélisation massive – en utilisant des milliers de nos puces simultanément, " dit Yeo.
L'équipe du Laboratoire de Recherche en Micro/Nanophysique, à l'école d'ingénieurs du RMIT, est l'un des rares groupes de recherche au monde à réunir des ondes sonores à haute fréquence, microfluidique et matériaux.
Yeo dit que la recherche remet en question les théories physiques de longue date, l'ouverture d'un nouveau domaine de « l'excitation haute fréquence » en parallèle de la sonochimie.
"Les théories classiques établies depuis le milieu des années 1800 n'expliquent pas toujours le comportement étrange et parfois contradictoire que nous voyons – nous repoussons les limites de notre compréhension."
