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Holographie : Eine Friedenstaube, gemalt mit Schall

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Picassos Friedenstaube: Stuttgarter Forscher formten sie mit Ultraschallwellen. Bild: Kai Melde / MPI für Intelligente Systeme

Die Holographie erobert die Akustik: Stuttgarter Forscher formen mit Schallwellen Bilder von dreidimensionalen Objekten.

          3 Min.

          Winzige Partikeln in der Schwebe zu halten oder gar ohne sichtbaren Kontakt von einem Ort zu einen anderen zu transportieren - was nach einem Zaubertrick klingt, ist mit Schallwellen möglich. Entsprechend eingesetzt, erzeugen die akustischen Signale einen Schalldruck, mit dem sich die Teilchen wie durch Geisterhand geführt bewegen lassen. Allerdings waren solche akustischen Manipulationsversuche bislang mit großem technischen Aufwand verbunden.

          Forscher vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme haben gemeinsam mit Kollegen von der Universität Stuttgart nun ein holographisches Verfahren entwickelt, mit dem Mikropartikeln in großer Zahl gleichzeitig bewegt und zu größeren dreidimensionalen Strukturen zusammengesetzt werden können.

          Die Holographie hat ihren Ursprung in der Optik. Sie erweiterte die Fotografie auf die dritte Dimension, indem sie neben der Lichtintensität auch die Information darüber verwertet, wo die Lichtwellen, die von einem Objekt reflektiert werden, im Raum ihre maximale Intensität erreichen. Man spricht von der Phase der Welle. Bei der Reflexion an einem dreidimensionalen Gegenstand verschiebt sich die Phase auf charakteristische Weise und transportiert dabei die Information über die räumliche Struktur des Objekts. So erhalten Hologramme ihre typische dreidimensionale Anmutung.

          Mikroteilchen zu beliebigen Mustern formen

          Analog dazu lassen sich auch Hologramme aus Schall erzeugen und so gezielt Schalldruckprofile in der Luft oder in Flüssigkeiten modellieren. Dazu schickt man beispielsweise mit einem Miniatur-Lautsprecher, einem Transducer, Ultraschallwellen in eine mit Luft oder Wasser gefüllt Kammer. Es bildet sich eine stehende Welle. In ihren Knotenpunkten ruht die Wellenbewegung. Diese Orte eignen sich ideal dazu, Mikroteilchen einzufangen oder sogar auf vorgegebenen Bahnen zu bewegen.

          Ordnet man nun zwei Lautsprecher senkrecht zueinander an, überlagern sich die stehenden Wellen, so dass die Knotenpunkte und die darin eingelagerten Partikeln ein Gitterprofil bilden. Mit mehreren Transducern in entsprechender Konfiguration lässt sich ein Schachbrettmuster aus Knotenpunkten erzeugen, die als Pixel für das zu produzierende Bild fungieren. Einzeln angesteuert, lässt sich die Phase jeder Ultraschallwelle regulieren, die der entsprechende Transducer aussendet. Damit kann der Ort, an dem die einzelnen Knotenpunkte entstehen und sich die Mikroteilchen ansammeln, aktiv gesteuert werden. Im Prinzip könnten die Wissenschaftler Mikroteilchen zu beliebigen Mustern arrangieren. Allerdings steigt der Aufwand mit zunehmender Anzahl an Transducern enorm. Zudem ist die Auflösung der Abbildung durch die Größe der Schallquellen begrenzt.

          In ihrem neuen Verfahren haben die Stuttgarter Forscher um Peer Fischer und Kai Melde die Anordnung von mehreren Transducern durch ein Kunststoffrelief ersetzt, das sie mit einem einzigen Lautsprecher beschallen. Zur Herstellung des Reliefs haben sie zunächst mit dem Computer eine Phasenkarte des abzubildenden Objekts angefertigt. Dann simulierten sie, wie ein Stück Kunststoff geformt sein müsste, um das Phasenprofil an eine penetrierende Ultraschallwelle weiterzugeben. Die Hologrammschablone wurde mit einem 3D-Drucker gefertigt.

          15.000 Phasenpunkte für Picassos Friedenstaube

          Als Demonstrationsobjekt wählten Melde und seine Kollegen die „Friedenstaube“ von Pablo Picasso. Das Motiv weist keine Symmetrien auf und ist zugleich feinstrukturiert. Gefragt war also eine hohe Auflösung. Die Forscher richteten nun eine ebene Ultraschallwelle auf das Relief. Sie wurde je nach Dicke und Form der Schablone unterschiedlich stark verzögert. So prägte sich der Schallwelle die entsprechende Phaseninformation der „Friedenstaube“ auf. Nach einem gewissen Abstand vom Relief, in der Bildebene, erzeugte sie dann das gewünschte Schalldruckprofil von Picassos Friedenstaube. Das erfolgte mit Kunststoffpartikeln, die in einem mit Wasser gefüllten Gefäß schwammen.

          Wie die Forscher um Melde in der Zeitschrift „Nature“ (doi: 10.1038/nature19755) berichten, bestand das modellierte Hologramm aus 15.000 Phasenpunkten. Damit lieferte das Experiment eine hundertmal so gute Auflösung wie das herkömmliche Verfahren und das bei geringerem technischen Aufwand. Das Auflösungsvermögen des akustischen Hologramms ist hierbei allein durch die Detailreichtum des Kunststoffreliefs und damit durch die Leistungsfähigkeit des 3D-Druckers begrenzt. Ein Limit haben Melde und seine Kollegen noch lange nicht erreicht. Eine Steigerung um das Zehnfache wäre noch möglich.

          Zusätzlich zur Friedenstaube fertigten Melde und seine Kollegen noch Mehrfachabbildungen anderer Objekte in dreidimensionaler Anordnung an. Kontinuierlich verändern, wie es die herkömmliche Technik mit mehreren Transducern erlaubt, lassen sich die Schalldruckprofile allerdings nicht. Dennoch können die Forscher schwimmende Partikeln in Bewegung versetzen. So fertigte man eine Hologrammschablone an, die, als man sie mit Ultraschallwellen bestrahlte, auf der Wasseroberfläche eine Ringwelle erzeugte. Ein Kunststoffteilchen, das auf dem Wasser trieb, erklomm den Wellenkamm und surfte im Kreis, solange die Schallquelle eingeschaltet war.

          Forscher hoffen auf Effekte für die Medizin

          Das Verfahren der Stuttgarter Forscher eignet sich für nahezu beliebige Muster und feinste Strukturen. Davon profitieren dürften künftig vor allem die Werkstoff- und Materialkunde sowie die Medizin, so die Forscher. Bei der Konstruktion von Strukturen auf Mikroebene ließen sich so kleinste Bausteine ohne großen Aufwand und physischen Kontakt an die richtige Stelle bringen. In der Medizin könnte es die Ultraschalldiagnostik verfeinern oder therapeutisch, beispielsweise zur Wundheilung, eingesetzt werden. Und im Biolabor könnte man mit so erzeugten Schalldruckbildern einzelne Zellen in einer Petrischale verschieben, ohne diese öffnen zu müssen.

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