Al lavoro Yushun Zeng schiaccia cellule tumorali in una piastra di Petri. Però non usa le sue dita umane, troppo grandi e sgraziate. Zeng, uno studente di ingegneria della University of Southern California, ha costruito un dispositivo in grado di intrappolare e comprimere le cellule utilizzando onde acustiche. Il suono, in altre parole.
Lo scopo dell'esperimento è verificare l'ipotesi secondo cui le cellule tumorali sarebbero più soffici di quelle sane, spiega Zeng. Esperimenti passati suggeriscono che le cellule tumorali si deformano più facilmente, il che consente loro di spostarsi e metastatizzare in tutto il corpo. Se così fosse, questi esperimenti potrebbero aiutare i ricercatori a progettare terapie che irrigidiscano le cellule tumorali per rendere "più difficile la loro diffusione nel corpo umano", spiega Zeng.
L'uso del suono per schiacciare gli oggetti ha perfettamente senso, una volta che ci si ricorda che cos'è un suono: una vibrazione che viaggia attraverso la materia, sia essa l'aria, l'acqua o una lattina premuta sull'orecchio (tecnicamente, Zeng utilizza gli ultrasuoni, frequenze acustiche troppo elevate per essere udibili dagli esseri umani). Il dispositivo di Zeng è noto come "pinzetta acustica", deforma le cellule tumorali sfruttando il suono come onda di pressione ed è un esempio di come gli scienziati stiano ampliando le applicazioni del suono.
Dalla musica all'imaging
L'acustica, o scienza del suono, "è un campo antico e molto consolidato", spiega il fisico Andrea Alù della City University di New York. Le prime tecnologie, risalenti a secoli fa, ruotavano in gran parte intorno alla musica, dalla costruzione di un'acustica migliore per i teatri alla progettazione di diapason. Nel ventesimo secolo il suono è stato ripensato come strumento di imaging. I ricercatori militari svilupparono un sonar per individuare i sommergibili nemici, che gli ingegneri medici adattarono in seguito per mostrare i feti durante la gravidanza. Il suono ha cominciato a essere usato per mappare gli spazi, sia nell'oceano che nel corpo umano.
Oggi gli ingegneri stanno utilizzando il suono in modi nuovi, come accade con la luce. Il suono, infatti, proprio come la luce, è un'onda. Nell'ultimo mezzo secolo, gli ingegneri hanno sviluppato un controllo senza precedenti sulla luce, con invenzioni che vanno dai laser alle fibre ottiche, dagli specchi unidirezionali agli ologrammi. Adesso, gli ingegneri stanno adattando gli strumenti per manipolare le onde sonore: "Molti gruppi stanno traslato le idee dall'ottica all'acustica", spiega Alù.
La pinzetta acustica, per esempio, è ispirata a uno strumento inventato negli anni Ottanta noto come "pinzetta ottica", che è fondamentalmente un laser direzionato su un punto preciso. Un oggetto attraversato da un raggio laser subisce una spinta dai fotoni che lo colpiscono. Gli ingegneri modellano il raggio in modo che l'oggetto senta un equilibrio di forze nel punto di fuoco del laser. Questa apparecchiatura è utile per afferrare oggetti piccolissimi: gli scienziati hanno intrappolato e manipolato singoli atomi e molecole con le pinzette ottiche e le hanno persino usate per misurare la flessibilità della doppia elica del dna.
Invece di un laser che produce una serie di fotoni, le pinzette acustiche fanno vibrare un oggetto in modo simile a una campana, producendo onde sonore. In questo modo si creano sacche di alta e bassa pressione. Analogamente alla messa a fuoco di un laser, Zeng ingegnerizza la forma delle onde sonore per controllare la posizione di queste sacche di pressione. Posizionando una zona a bassa pressione sopra un gruppo di cellule tumorali, per esempio, Zeng riesce a schiacciarle facendo affluire il fluido circostante da una zona ad alta pressione.
Spostare oggetti con le onde sonore
Anche le onde sonore sono in grado di guidare gli oggetti all'interno degli organismi. Daniel Ahmed, ingegnere del Politecnico di Zurigo ha recentemente utilizzato gli ultrasuoni per muovere delle sfere di plastica cave all'interno di un embrione di pesce zebra vivo. Con questi esperimenti, Ahmed punta a dimostrare le potenzialità dell'uso del suono per guidare i farmaci verso un determinato punto all'interno di un animale, per esempio un tumore. Analogamente alla pinzetta acustica, gli ultrasuoni creano uno schema ripetuto di aree a bassa e alta pressione all'interno dell'embrione, consentendo ad Ahmed di utilizzare le sacche di pressione per spingere le sfere. Altri ricercatori stanno studiando la capacità del suono di pilotare oggetti per trattare i calcoli renali. Uno studio del 2020, per esempio, ha utilizzato gli ultrasuoni per spostare i calcoli nella vescica di maiali vivi.
Altri ricercatori stanno sviluppando una tecnologia nota come olografia acustica per modellare le onde sonore, al fine di progettare con maggiore precisione la posizione e la forma delle zone di pressione in un mezzo. Gli scienziati proiettano le onde sonore attraverso una piastra nota come ologramma acustico, spesso realizzata con la stampa 3D e progettata al computer. I ricercatori stanno studiando come utilizzare gli ologrammi acustici per la ricerca sul cervello, focalizzando gli ultrasuoni in un punto preciso della testa, un metodo che potrebbe rivelarsi utile per la diagnostica per immagini e scopi terapeutici.
Nuove vie alla propagazione del suono
Andrea Alù esplora anche nuovi modi di modellare le onde sonore, non necessariamente per applicazioni specifiche. In una dimostrazione di maggio, il suo team ha controllato il suono usando dei Lego.
Per controllare la propagazione del suono, il suo team ha impilato i mattoncini di plastica su un piatto in uno schema a griglia, facendoli sporgere come gli alberi di una foresta. Scuotendo il piatto, i lego hanno prodotto onde sonore sulla superficie. Il suono però attraversava il piatto in modo non convenzionale. Normalmente un'onda sonora dovrebbe disperdersi simmetricamente in cerchi concentrici, come le increspature prodotte da un sasso che cade in uno stagno. Alù è riuscito a far viaggiare il suono solo secondo schemi particolari.
Il progetto di Alù non si ispira alla luce, ma agli elettroni che, secondo la meccanica quantistica, sono sia un'onda che una particella. In particolare, i Lego sono stati progettati per imitare lo schema a cristallo di un tipo di materiale noto come grafene a doppio strato (twisted bilayer graphene), che limita il movimento dei suoi elettroni in modo particolare. In determinate condizioni, gli elettroni fluiscono solo sui bordi del materiale. In altre, il materiale diventa un superconduttore, con gli elettroni che formano coppie e si muovono senza incontrare resistenza elettrica. Dal momento che gli elettroni si spostano in modo così bizzarro all'interno di questo materiale, il team di Alù ha immaginato che la geometria a cristallo, scalata fino alle dimensioni del Lego, avrebbe limitato anche il movimento del suono.
Queste insolite traiettorie acustiche hanno illustrato sorprendenti parallelismi tra il suono e gli elettroni e suggeriscono modi più versatili di controllare la propagazione del suono, che potrebbero rivelarsi utili per l'imaging a ultrasuoni o per la tecnologia acustica su cui si basano i telefoni cellulari per comunicare con i ripetitori, spiega Alù. Il fisico, per esempio, ha creato un dispositivo con principi simili che permette al suono di propagarsi in una sola direzione ed è in grado di distinguere un segnale di trasmissione da uno di ritorno, a differenza dei sonar, che inviano un'onda acustica e devono aspettare che l'eco ritorni prima di risuonare nuovamente nell'ambiente.
Ma al di là delle applicazioni questi esperimenti hanno cambiato il modo in cui gli scienziati pensano al suono, che sta diventando anche no strumento di precisione che possono modellare, dirigere e manipolare a loro piacimento.
