Věda o akustické manipulaci hmoty se stává jedním z nejzajímavějších směrů moderní fyziky.
Co se stane, když zvuk vidíme
Fenomén cymatika – vizualizace zvuku pomocí vibrací – poprvé popsal v 19. století švýcarský fyzik Ernst Chladni. Na kovové desky posypané pískem přikládal smyčec a sledoval, jak se zrnka uspořádávají do přesných geometrických obrazců.
Tento jev ukázal, že zvuk má strukturu. Každá frekvence vytváří jiný tvar – doslova viditelný otisk tónu.
Současné experimenty s vysokofrekvenčními ultrazvuky posouvají princip cymatiky do tří rozměrů: pomocí stojatých vln lze zvukem vznášet a přesouvat drobné objekty, například kapky vody či buňky.
Akustická levitace a mikromanipulace
Výzkumníci z University of Bristol vytvořili zařízení, které dokáže v reálném čase „chytat“ objekty do zvukových uzlů a posouvat je v prostoru.
Zvuková vlna vytváří oblasti vyššího a nižšího tlaku, v nichž se částice stabilizují. Při vhodné frekvenci lze předměty nejen vznášet, ale i otáčet a přesně polohovat.
Tento princip má široké využití:
v lékařství pro bezkontaktní manipulaci s buňkami,
v materiálovém inženýrství pro tvorbu mikroskopických struktur,
v farmacii při dávkování kapalin bez rizika kontaminace.
Zvuk se tak stává jemným, ale přesným nástrojem.
Zvukové formy a vznik struktury
Na Japonském institutu pro pokročilé vědy (RIKEN) probíhají experimenty, které ukazují, že zvukové vlny dokážou měnit tvar kapaliny i pevné látky.
Při určité frekvenci se na povrchu tekutin objevují stabilní obrazce – spirály, osmičky či buňky podobné živým tkáním.
Podle fyziků se zde projevuje rezonanční samoorganizace: systém reaguje na zvuk tím, že přeskupí vlastní hmotu do tvaru s nejnižší energetickou zátěží.
Jde o fascinující příklad, jak jednoduchý fyzikální princip může vést ke vzniku složitých vzorců – podobně, jako rytmus srdce formuje proudění krve.
Akustika živé hmoty
Biologické buňky reagují na zvuk citlivěji, než se předpokládalo. Studie z MIT Media Lab prokázaly, že ultrazvukové vibrace mohou ovlivňovat orientaci buněk během růstu, a dokonce podporovat regeneraci tkání.
Na University of Illinois pak vznikl obor zvaný sonogenetika, který zkoumá, zda lze zvukem aktivovat specifické geny – podobně jako světlem v optogenetice.
Pokud se tato teorie potvrdí, zvuk se stane novým způsobem, jak komunikovat s živou hmotou.
Filosofie rezonance
Zvuk není jen akustický jev, ale také princip uspořádání.
Ve fyzice rezonance znamená soulad mezi vnějším impulzem a vnitřní strukturou systému. V biologii i ve společnosti může být metaforou rovnováhy – když se vnější a vnitřní rytmus sladí, vzniká stabilita.
Z tohoto pohledu je zvuk jedním z nejzákladnějších principů reality: propojuje energii, hmotu i informaci.
Nový pohled na zvuk
Zvuk není jen médium pro přenos slova, ale nástroj tvorby. Akustické vlny dokážou formovat hmotu, řídit pohyb částic a možná i ovlivňovat živé organismy. Zatímco dříve byl zvuk symbolem efemérnosti, dnes se stává fyzikálním klíčem k pochopení struktury světa.
Zdroje
Marzo, A., Caleap, M., & Drinkwater, B. W., Holographic acoustic elements for manipulation of levitated objects, Nature Communications, 2015, DOI: 10.1038/ncomms9661
Ochiai, Y., Hoshi, T., & Rekimoto, J., Three-Dimensional Mid-Air Acoustic Manipulation by Ultrasonic Fields, PLOS ONE, 2014, DOI: 10.1371/journal.pone.0097590
Ibsen, S. et al., Sonogenetics: a noninvasive method to activate neurons in Caenorhabditis elegans, Nature Communications, 2015, DOI: 10.1038/ncomms9264
Marzo, A. & Adamowski, J., Acoustic field–induced pattern formation, Physical Review Applied, 2018, DOI: 10.1103/PhysRevApplied.9.034030