[論文レビュー] Acoustic radiation force and torque exerted on a small viscoelastic particle in an ideal fluid

José P. Leão-Neto, Glauber T. Silva|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2015

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 53被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、長波長近似において分数階キルヒホッフ＝ヴォイチ粘弾性モデルを用いた理想流体内での微小な粘弾性粒子に対する音響放射力および放射トルクの理論的枠組みを構築する。特定の波型、特に3次元トラクター・ベッセル光ビームを含む条件下で、特定のポリエチレン粒子に対して負の軸方向放射力およびトルクが予測され、新たな音響フォレシス粒子操作戦略の実現が可能となる。

ABSTRACT

We provide a detailed analysis on the acoustic radiation force and torque exerted on a homogeneous viscoelastic particle in the long-wave limit (the particle radius is much smaller than the incident wavelength) by an arbitrary wave. We assume that the particle behaves as a linear viscoelastic solid, which obeys the fractional Kelvin-Voigt model. Simple analytical expressions for the radiation force and torque are obtained considering the low- and high-frequency approximation in the viscoelastic model. The developed theory is used to describe the interaction of acoustic waves (traveling and standing plane waves, and zero- and first-order Bessel beams) with a low- and high-density polyethylene particle chosen as examples. Negative axial radiation force and torque are predicted when the ratio of the longitudinal to shear relaxation times is smaller than a constant that depends on the speed of sound in the particle. In addition, a full 3D tractor Bessel vortex beam acting on the high-density polyethylene is depicted. These predictions may enable new possibilities of particle handling in acoustophoretic techniques.

研究の動機と目的

• 任意の波励振に対して、理想流体内に存在する微小な粘弾性粒子の音響放射力および放射トルクを分析すること。
• 低周波数および高周波数の挙動を正確に再現できるように、分数階キルヒホッフ＝ヴォイチモデルを用いて粒子の粘弾性をモデル化すること。
• 負の放射力およびトルクが生じる条件を予測し、新たな粒子捕集および操作を可能にする。
• 平面波、定常波、およびベッセルビームの波型が、低密度および高密度ポリエチレン粒子の力およびトルクに与える影響を明らかにすること。

提案手法

• 散乱問題の簡略化のため、長波長近似（粒子半径 ≪ 波長）を採用する。
• 粒子の線形粘弾性挙動を記述するために、分数階キルヒホッフ＝ヴォイチモデルを適用し、縦方向および横方向の緩和時間を組み込む。
• 粘弾性モデルの低周波数および高周波数近似を用いて、放射力およびトルクの解析的表現を導出する。
• 平面波、定常波、およびゼロ次および一次のベッセルビームを入射波源として用いる。
• 低密度および高密度ポリエチレン粒子を事例として、力およびトルクを評価する。
• 一次のベッセル・ボルテックス光ビームに対する放射力分布の3次元数値可視化を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長波長領域において、粘弾性粒子の音響放射力が負（光源方向）となる条件は何か？
• RQ2 粘弾性粒子の縦方向および横方向の緩和時間が、放射トルクの符号および大きさにどのように影響を与えるか？
• RQ3 高密度ポリエチレン粒子に対して、ベッセル・ボルテックス光ビームを用いて完全な3次元トラクター光ビーム効果を達成できるか？
• RQ4 粒子材料内の音速が、負の放射力の閾値にどのように影響を与えるか？
• RQ5 同じ音響励振条件下で、低密度および高密度ポリエチレンの間で、放射力およびトルクの挙動にどのような差が生じるか？

主な発見

• 縦方向緩和時間と横方向緩和時間の比が、粒子の音速に依存する臨界値未満である場合、負の軸方向放射力が予測される。
• 同じ条件下で負の放射トルクが観測され、キラルな粒子の整列および回転制御の可能性が示唆される。
• 完全な3次元トラクター・ベッセル・ボルテックス光ビームが、高密度ポリエチレン粒子に対して網膜内方向の合力を発揮することを実証し、安定な3次元捕集が可能となる。
• 理論的に、同じ波条件下で高密度ポリエチレンは低密度ポリエチレンよりも強い負の力効果を示すと予測される。
• 力およびトルクの解析的表現は、分数階キルヒホッフ＝ヴォイチモデルの低周波数および高周波数極限において有効である。
• 結果から、波場の最適設計および粘弾性粒子の特性を活用した、接触を要しない粒子操作の新たな道筋が示唆される。