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Hologramme mit Schall

Nr. 68 vom 22. September 2016

Neue Möglichkeit, Schallwellen dreidimensional zu modellieren

Schall lässt sich künftig auf einfache Weise dreidimensional formen. Denn Forscher des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme und der Universität Stuttgart haben einen Weg gefunden, mit geringem Aufwand akustische Hologramme zu erzeugen. Die Technik erweitert die Möglichkeiten, Teilchen, die zwischen einigen Mikrometern und wenigen Millimetern groß sein können, zu manipulieren. Sie könnte zudem die Ultraschall-Diagnostik in der Medizin und Materialprüfung verfeinern.

Schallgetriebener Wellenreiter: Mit einem Hologramm lässt sich auf einer Wasseroberfläche eine stehende Welle erzeugen, an der entlang ein Papierboot im Kreis surft. Bild: Kai Melde / MPI für Intelligente Systeme

Gewöhnlich entwickelt Peer Fischer, Leiter einer Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme und Professor an der Universität Stuttgart, Antriebe für Mikro- und Nanoroboter. Auch die Nanofabrikationsmethoden, um solche winzigen Schwimmer herzustellen, stehen auf seinem Forschungsprogramm. Holografie dagegen gehörte bislang eher nicht zu seinem Kerngeschäft. „Wir suchten jedoch eine Möglichkeit, eine große Zahl von Mikropartikeln gleichzeitig zu bewegen und größere Strukturen aus ihnen zu formen“, erklärt Fischer. Diese Möglichkeit hat sein Team in der akustischen Holografie gefunden, die die Forscher nun erstmals vorstellen und die auch Anwendungen jenseits der Manipulation von Mikropartikeln finden könnte.

Schall ließ sich bislang nur mit aufwendiger Technik modellieren

In der Optik erweitern Holgramme die Fotografie schon seit Jahrzehnten um die dritte Dimension. Anders als Aufnahmen mit einer gewöhnlichen Fotokamera verwertet die Holografie neben der Lichtintensität nicht die Farbe als weiteres Merkmal eines abgebildeten Objekts. Vielmehr enthalten Hologramme die Information, wo die Lichtwellen, die von dem dargestellten Gegenstand reflektiert werden, ihre maximale Intensität erreichen – Physiker sprechen von der Phase der Welle. Da sich diese bei der Reflexion an einem dreidimensionalen Gegenstand verschiebt, gibt die Phase Auskunft über die räumliche Struktur des Objekts und verhilft Hologrammen zu dem charakteristischen räumlichen Eindruck.

Die räumliche Struktur von Schallwellen zu manipulieren, war bislang nur mit einem Ensemble von nebeneinander positionierten Schallquellen möglich, die unabhängig voneinander gesteuert werden und so zeitlich versetzt – Physiker sagen phasengesteuert – Schallwellen aussenden. „Wir können Schall nun ohne diese aufwendige Technik dreidimensional modellieren“, sagt Kai Melde, der die entsprechenden Experimente am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme im Rahmen seiner Doktorarbeit machte.

Mit Hilfe von Ultraschallwellen wurde das Profil des Schalldrucks mit einem Hologramm so geformt, dass sich die Teilchen zu den Linien von Picassos Friedenstaube arrangieren. Bild: Kai Melde / MPI für Intelligente Systeme

Picassos Friedenstaube als Schalldruckbild

Ihren Ansatz demonstrierten die Forscher zunächst, indem sie die Friedenstaube von Pablo Picasso mit einem erhöhten Schalldruck nachzeichneten und auf diese Weise Mikropartikel in einer Flüssigkeit zu dem Bild arrangierten.Im ersten Schritt gingen sie dabei genauso vor wie bei der herkömmlichen Technik: Sie berechneten zunächst, wo die Schallwellen, genauer gesagt deren Phasen, wie stark verschoben werden müssen, um die Linien der Taube in einen erhöhten Schalldruck zu übersetzen. So erhielten sie eine Karte der Phasenverschiebungen. Anhand dieser Karte erzeugten sie nun das akustische Hologramm: Mit einem 3D-Drucker stellten sie ein Relief aus einem Kunststoff her, der Schall schneller leitet als die umgebende Flüssigkeit.

Je stärker die Schallwellen gegeneinander verzögert werden mussten, desto dicker trug der Drucker das Material auf. Als die Forscher nun Ultraschallwellen durch das Hologramm schickten, interferierten diese hinter der Reliefplatte so, dass der Schalldruck Picassos Friedenstaube nachzeichnete. Und sobald sie dort eine Schale mit Wasser, in dem Mikropartikel schwimmen, positionierten, ruckelten sich die Teilchen ebenfalls rasch zum Bild der Taube zurecht. Dass die Technik nicht nur für zweidimensionale Klangbilder wie Picassos Zeichnung funktioniert, sondern auch in der dritten Dimension, zeigten die Forscher, indem sie mit einem Hologramm die hintereinander stehenden Ziffern ‚1‘, ‚2‘ und ‚3‘ als Schalldrucksymbole in den Raum projizierten.

Mikropartikel surfen und fliegen

„Mit unserer Technik lässt sich die dreidimensionale Struktur des Schallfeldes zwar nicht kontinuierlich verändern und so in Bewegung bringen wie mit einer Anordnung phasengesteuerter Schallquellen, aber sie ist dafür sehr viel einfacher“, sagt Peer Fischer. „Wir sind selbst überrascht, dass noch keiner auf diese Idee gekommen ist.“

Auch wenn Stuttgarter Forscher die akustischen Skulpturen an sich nicht verändern können, gelingt es ihnen Teilchen durch den modellierten Schalldruck des Hologramms zu bewegen. Das führten sie mit einem Kunststoffpartikel auf einer Wasseroberfläche vor: Mit dem Schalldruck-Hologramm erzeugten sie auf einer Wasseroberfläche eine ringförmige Welle, die aussah, als hätten sie die Welle eines ins Wasser geworfenen Steins eingefroren. Das Teilchen, das auf dem Wasser trieb, schwang sich unter dem Schalldruck flugs auf den Kamm der Welle und surfte dort solange im Kreis, bis die Forscher den Ton wieder ausschalteten. „Solche durch Schall berührungslos bewegten Kunststoffpartikel könnten etwa als Transporter für die Verfahrenstechnik interessant sein“, sagt Kai Melde.

Akustische Hologramme bringen Partikel aber nicht nur zum Surfen, sondern auch zum Fliegen. Denn der Schalldruck lässt sich auch so formen, dass er kleine Objekte in der Luft schweben lässt. Das führten die Stuttgarter Forscher an zwei Tropfen vor, deren Fall von einem holografisch modellierten Ultraschallfeld gestoppt wurde. Die Tröpfchen hielten sich dann solange in einer Position, wie sie den Schalldruck spürten. Solche akustischen Flieger könnten etwa in Prozessen der Verfahrenstechnik, in denen Flüssigkeiten tröpfchenweise verarbeitet werden, zur Anwendung kommen.

Kompliziert geformte Ultraschallfelder für die medizinische Diagnostik

Akustische Hologramme schaffen also noch mehr Möglichkeiten, Partikel zu manipulieren, als die Forscher ursprünglich im Sinn hatten. Und auch jenseits der Beschallung von Partikeln könnten Hologramme mit Ultraschall Anwendung finden – zum Beispiel in der Medizin und der Materialprüfung. „ Von großem Interesse ist es, mit unserer Erfindung auf einfache Weise kompliziert geformte Ultraschallfelder für eine lokalisierte medizinische Diagnostik und Therapie zu erzeugen“, sagt Peer Fischer. Wo jedoch genau akustische Hologramme einmal eingesetzt werden, sei noch nicht klar. „ Aber ich bin sicher, dass dafür viele Gebiete in Frage kommen.“

Originalpublikation:
Holograms for acoustics, Kai Melde, Andrew G. Mark, Tian Qiu und Peer Fischer, Nature 22. September 2016

Kontakt:
Prof. Dr. Peer Fischer, Institut für Physikalische Chemie, Universität Stuttgart, und MPI für Intelligente Systeme, Tel.: 0711/ 685-64140, E-Mail p.fischer (at) ipc.uni-stuttgart.de.

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