Sistema de aprisionamento de partículas na região de feixes acústicos superfocalizados através da força de radiação acústica

O estudo voltado à manipulação de pequenas partículas e células, incluindo captura sem contato, separação, padronização e levitação, por meio da força de radiação acústica, tem sido objeto de ampla investigação pela comunidade científica. Esse interesse decorre, sobretudo, das potenciais aplicações práticas nas indústrias farmacêutica e biomédica, bem como em diversos processos industriais. A força de radiação acústica manifesta-se quando uma onda sonora interage com um objeto, promovendo a transferência de momento linear e angular da onda para o corpo em questão. Neste trabalho, investigamos a captura de pequenas partículas pela força de radiação acústica gerada a partir da interação dessas partículas com um meio perturbado por dois feixes acústicos superfocalizados e contrapropagantes. Esses feixes, descobertos experimentalmente por nosso grupo de pesquisa, são produzidos pela interação de uma onda plana com uma lente esférica de diâmetro correspondente a alguns comprimentos de onda. Apresentam foco abaixo do limite de difração e intensidade localizada significativamente superior à da onda incidente. Considerando tais características, foram realizadas simulações numéricas no software COMSOL Multiphysics para analisar o comportamento da força de radiação acústica sobre partículas de benzeno, RTV-615 e poliestireno, na região de ondas estacionárias geradas por dois feixes superfocalizados contrapropagantes. As simulações permitiram determinar a distância ideal entre as superfícies das lentes, sendo esta assumida como 3, 14λ. O sistema gerou ondas estacionárias superfocalizadas, resultando em um aumento expressivo na intensidade da força de radiação acústica, de aproximadamente 23, 25 e 24 vezes para as partículas de benzeno, RTV615 e poliestireno, respectivamente, em comparação aos métodos estacionários convencionais, representando ainda um ganho de quatro ordens de grandeza em relação a pinças acústicas focalizadas. Por fim, acredita-se que este estudo possa contribuir significativamente para o avanço no desenvolvimento de dispositivos de manipulação de partículas sem contato, ao demonstrar forças de radiação superiores às produzidas por métodos convencionais

The study focused on the manipulation of small particles and cells—including contactless trapping, separation, patterning, and levitation—through acoustic radiation force has been the subject of extensive investigation by the scientific community. This interest stems primarily from the potential practical applications in the pharmaceutical and biomedical industries, as well as in various industrial processes. Acoustic radiation force arises when a sound wave interacts with an object, promoting the transfer of linear and angular momentum from the wave to the object in question. In this work, we investigate the trapping of small particles by the acoustic radiation force generated from the interaction of these particles with a medium perturbed by two counter-propagating superfocalized acoustic beams. These beams, experimentally discovered by our research group, are produced by the interaction of a plane wave with a spherical lens whose diameter corresponds to a few wavelengths. They exhibit sub-diffraction-limited focusing and a significantly higher localized intensity compared to the incident wave. Considering these characteristics, numerical simulations were conducted using COMSOL Multiphysics to analyze the behavior of the acoustic radiation force on benzene, RTV-615, and polystyrene particles in the standing wave region generated by the two counter-propagating superfocalized beams. The simulations allowed us to determine the optimal distance between the surfaces of the lenses, which was found to be 3.14λ. The system generated superfocalized standing waves, resulting in a substantial increase in the acoustic radiation force intensity—approximately 23, 25, and 24 times greater for benzene, RTV-615, and polystyrene particles, respectively, compared to conventional standing wave methods. This also represents a gain of four orders of magnitude compared to focused acoustic tweezers. Finally, it is believed that this study may significantly contribute to the advancement of contactless particle manipulation devices, by demonstrating radiation forces that surpass those produced by conventional methods

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