Two-Dimensional Acoustic Manipulation of Particles in Liquid Media

Abstract

Acoustic manipulation as a principle of particle guiding was first discovered in 1787 by Ernst Chladni. Over 200 year later scientists are still investigating the potential of acoustic waves as a means for guiding, patterning and separating particles.

Acoustic manipulation is a technique that can be used to move various sized particles by exciting them with acoustic waves. Acoustic waves create an acoustic field with pressure nodes and antinodes. Due to higher pressure, the particles migrate away from the pressure antinodes and settle on pressure nodes. This movement is dependent on the properties of the particles compared to the hosting medium. This simple principle allows the particles to be moved or patterned into intricate patterns by acoustic excitation. The patterns formed under acoustic excitation depend on several factors such as the shape and material of the substrate and the frequency of the sound waves.

Acoustic fields can also be used for other tasks such as separation and controlled manipulation of particles. Acoustic separation has been commonly used in microfluidic channels where a single pressure node in the middle of a channel can separate a stream of particles from the solution. The transducers used for this separation can be tuned by adjusting their frequency and set to influence a specific set of particles. This effect can be used to effectively separate a mixture of different particles suspended in solution from each other, such as red blood cells from cancer cells. Closed loop manipulation can be achieved through incorporating machine vision to detect the particles and data driven algorithms which, when given a task can over time correctly select the suitable set of frequencies to manipulate the particles along the tasked path.

In this work we focused on fabricating an acoustic manipulation setup based on existing literature and demonstrating its working principle by patterning polystyrene spheres. The first part of the thesis thoroughly breaks down three different acoustic manipulation setups microfluidics-based system, Chladni plate-based system and a feedback-based system. Alongside these three systems we break down some of the most used acoustic wave modes to provide necessary theory for analysing our results and setup.

In our experiments we observed that at 107 kHz polystyrene spheres are patterned into a grid consisting of eight horizontal and vertical lines. Furthermore, we observed that the number of nodes roughly doubles when the frequency is doubled, which matches with the theory that is describe in the analysis chapter. However, the observed patterns were not fully symmetrical nor regular, which was likely caused by small bubbles trapped under the coverslip or the slightly misplaced coverslip on the substrate with the mounted transducers.

After analysing the results of our experiment, we conclude that we cannot confidently determine the dominant waves responsible for patterning in our system without simulation-based validation. However, we hypothesize that the waves responsible for the patterns observed in our experiment are standing pressure waves caused by reflections and interference in the thin fluid suspension layer.

Ernst Chladni löysi partikkelien käsittelyn akustiikan menetelmin vuonna 1787. Yli 200 vuotta myöhemmin partikkelien akustisen manipulaation sovellukset, kuten niiden ohjaus, kuviointi ja erottelu, ovat yhä ajankohtaisia tutkimuksen kohteita.

Akustinen manipulaatio on menetelmä, jossa akustisia aaltoja käytetään erikokoisten partikkelien liikuttamiseen. Akustiset aallot muodostavat akustisen kentän, joka koostuu painehuipuista ja painepohjista. Akustisen värähtelyn myötä partikkelit liikkuvat poispäin painepohjista ja asettuvat kohti painehuippuja. Partikkelien liikkuminen riippuu niiden ominaisuuksien ja väliaineen välisestä suhteesta. Tällä menetelmällä partikkelit voivat muodostaa monimutkaisia kuvioita. Akustisen värähtelyn vaikutuksesta syntyvät kuviot riippuvat useista tekijöistä, kuten esimerkiksi alustan muodosta, alustan materiaalista sekä ääniaaltojen taajuuksista.

Akustisia kenttiä voidaan hyödyntää myös muihin sovelluksiin, kuten partikkelien erotteluun ja ohjattuun liikuttamiseen. Akustinen erottelu on vakiintunut menetelmä, jota hyödynnetään mikrofluidiikassa. Erottelumenetelmässä yksittäinen painehuippu kanavan keskellä voi erottaa virran partikkeleita ympäröivästä liuoksesta. Erotteluun käytetään antureita, jotka voidaan säätää taajuudeltaan kohdistamaan vain osaa virran partikkeleita. Ohjattu manipulaatio on mahdollista toteuttaa hyödyntämällä konenäköä. Konenäkö havaitsee partikkelit. Konenäön dataa syötetään tämän jälkeen koneoppimismalliin, joka oppii valitsemaan sopivat taajuudet ohjatakseen partikkelit ennalta määrättyä reittiä pitkin.

Opinnäytetyön teoreettisessa osassa esitellään kolme erilaista akustisen manipulaation järjestelmää. Näitä ovat mikrofluidiikan järjestelmä, Chladni-levyn järjestelmä ja ohjatun manipulaation järjestelmä. Tutustutaan myös yleisimpiin akustisiin aaltomuotoihin, joita hyödynnetään lisäksi teoreettisena pohjana työn kokeellisessa osuudessa oman laitteiston rakentamisessa ja tulosten analysoinnissa. Tämän työn kokeellisessa osuudessa kehitetään akustinen manipulaatioalusta ja kuvioidaan polystyreenipartikkeleita akustisella manipulaatiolla.

Kokeiden aikana polystyreenipartikkelien havaittiin muodostavan ruudukkomainen kuvio 107 kHz taajuudella, joka koostui kahdeksasta vaaka- ja pystysuorasta painehuippulinjoista. Lisäksi havaittiin, että painehuippulinjojen määrä noin kaksinkertaistui, kun taajuus kaksinkertaistui. Tämä tulos vastaa aiempia tuloksia kirjallisuudessa. Kokeiden aikana havaitut kuviot eivät olleet säännöllisiä ja symmetrisiä, mikä saattoi johtua peitinlasin ja aluslasin väliin jääneistä ilmakuplista tai aluslasin paikan vaihtelusta.

Aaltotyyppi, joka aiheutti kuvioita työn kokeellisessa mallissa, ei voida varmuudella määrittää ilman jatkotutkimuksia simulaatioilla. Tulosten perusteella voidaan kuitenkin esittää hypoteesi siitä, että kuviot johtuvat heijastuksista ja ohuessa nesteväliainekerroksessa syntyvien seisovien paineaaltojen interferenssistä.