Теоретическая модель процесса лазерного возбуждения акустических сигналов в жидкой среде с присутствием наноразмерных объектов
Аннотация
В настоящее время использование нанотехнологий в медицинской диагностике является перспективным направлением. Наночастицы используются в качестве контрастных агентов для медицинской ультразвуковой интроскопии, поскольку, будучи иммобилизированным определёнными белками, обладают адгезией к больным клеткам и бактериям.Разработана и численно исследована математическая модель процесса лазерного возбуждения акустических сигналов в жидкой среде с присутствием нанотрубок. Показано увеличение уровня оптоакустического сигнала.
Ключевые слова: Оптоакустический эффект, нанотрубки, модель
01.04.15 - Физика и технология наноструктур, атомная и молекулярная физика
Целью настоящей работы является разработка теоретической модели оптической генерации акустического поля в жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов, а именно углеродных наноматериалов.
Предлагается, что суммарное акустическое поле, формируемое в среде, будет складываться из двух составляющих: поля, формируемого оптическим импульсом в жидкой среде, и поля, формируемого самими углеродными наночастицами.
Для реализации данного предположения были рассмотрены теоретические модели оптоакустического эффекта в жидких средах и анизотропном твердом теле.
Аддитивность физических явлений, положенных в основу модели, обеспечивается сходством временных масштабов рассматриваемых процессов оптоакустического взаимодействия.
Выполним расчет акустического поля, формируемого углеродныминаночастицами, с использованием выражения [1]для описания профиля колебательной скорости v в звуковой волне:
Здесь Y– константа электрострикции, k– волновое число, L–граница лазерного пучка, 
– круговая частота, ρ0 – плотность, сL– скорость продольных волн.
Параметры для расчета взяты из литературных источников [2, 3]. На графиках рис. 1 представлены временные профили оптоакустических импульсов, причем по оси абсцисс отложено нормированное время на длительность оптического импульса.
а) б)
Рисунок 1 – Акустическое поле, формируемое углеродными наночастицами: а) для 
; б) для 
Зависимость уровня звукового давления от времени (форма импульса), построенные с использованием выражения [4, 5]
изображены на рис. 2 для различных длительностей импульса и расстояний. Видно, что при ОА-преобразовании возбуждаются двуполярные акустические импульсы: за фазой сжатия следует фаза разрежения. Такая форма сигналов обусловлена свободным характером поверхности воды. Если на поверхность положить прозрачную пластину (например, из плотного стекла), акустический импеданс ρс которой много больше, чем у воды, то сформируются однополярные импульсы сжатия.
- б)
в)
Рисунок 2 –Эволюция профиля оптоакустического импульса в нелинейной диссипативной среде: а) 
мкс; б) 
мкс; в) 
мкс
Далее, на рис. 3 представлен расчет по теоретической модели оптоакустического эффекта в жидкой среде с наночастицами, описанной выше.
а) б)
Рисунок 3 – Суммарное акустическое поле, формируемое УНТ и средой: а) для 
; б) для
.
Видно, что присутствие наноразмерных частиц в среде дает некоторую добавку к уровню акустического давления. К сожалению, оценить точно ее величину не представляется возможным из-за разброса в электрофизических параметрах нанотрубок в несколько порядков.
Литература
1.Гусев, В.Э. Лазерная оптоакустика [Текст] / В.Э. Гусев, А.А.Карабутов // М.: Наука, 1991. – 304 с.
2.Гуляев, Ю.В. Углеродные нанотрубные структуры – новый материал для эмиссионной электроники [Текст] / Ю.В. Гуляев // Вестник Российской Академии Наук, 2003. –Т.73, –№ 5, –С. 389.
3.Андриевский, Р.А. Наноструктурные материалы [Текст] / Р.А.Андриевский, А.В. Рагуля // М.: Издательский центр «Академия», 2005. –192 с.
4.Новиков, Б.К. Нелинейная гидроакустика [Текст] / Б.К. Новиков, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко // Судостроение, 1981. – 264 с.
5.Джуплина, Г.Ю. Теоретическая модель оптикоакустического эффекта в среде с наноразмерными рассеивателями [Текст] / Г.Ю. Джуплина, И.Б. Старченко // Известия ЮФУ. Технические науки. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. 2009. – № 10. – С.189 192.