Левитация может выглядеть как магия, но за ней стоит целый ряд научных трюков. Магнитные системы обычно стоят за хитроумными потребительскими продуктами, такими как плавающие лампочки и динамики, оптическая левитация появляется в более академических занятиях, таких как квантовые вычисления, а акустика может помочь приостановить крошечные частицы, чтобы сделать лучшие лекарства. Эти методы работают только с определенными объектами, но исследователи из Чикагского университета разработали метод левитации в основном чего угодно, используя разницу в температуре.
«Магнитная левитация работает только на магнитных частицах, а оптическая левитация работает только на объектах, которые могут быть поляризованы светом, но с помощью нашего первого в своем роде метода мы демонстрируем метод левитации общих объектов»,-говорит Чен Чин, один из исследователей команды.
Для демонстрации техники были использованы шарики из керамики, пластика и стекла, частицы льда, семена и кусочки ворса, и команда обнаружила, что левитированные частицы могут удерживаться в воздухе более часа, а не в течение нескольких минут, и не будут раскачиваться в стороны.
Исследователи достигли этой универсальной левитации с помощью процесса термофореза, который манипулирует частицами, помещая их между источниками различных температур. В этом случае предметы помещались в вакуум между двумя пластинами-нижняя, сделанная из меди, оставалась при комнатной температуре, в то время как верхняя пластина содержала жидкий азот, охлаждая контейнер из нержавеющей стали до-300 ° F (-184 ° C). Относительное тепло будет течь от нижней пластины к верхней, поднимая частицы вместе с ней.
«Большой температурный градиент приводит к силе, которая уравновешивает гравитацию и приводит к стабильной левитации», — говорит Фрэнки Фунг, ведущий автор исследования. «Нам удалось количественно оценить термофоретическую силу и найти разумное согласие с тем, что предсказано теорией. Это позволит нам исследовать возможности левитации различных типов объектов».
Как бы ни была полезна система команды, необходимы точные измерения, чтобы гарантировать, что она работает на полную мощность. Необходимо учитывать относительный размер пластин, и они должны быть расположены на нужном расстоянии друг от друга, чтобы дать теплому воздуху пространство для циркуляции. И нижняя пластина должна быть идеально горизонтальной, иначе тепловой градиент-разница в температуре-может указывать в одну сторону, отправляя левитирующие объекты вне центра.
«Только в узком диапазоне давления, температурного градиента и геометрических факторов пластины мы можем достичь стабильной и длительной левитации», — говорит чин. «Различные частицы также требуют тонкой настройки параметров».
Устройство могло бы позволить ученым экспериментировать с воздействием микрогравитации на объекты, химические вещества и организмы, не доставляя их в космос. Это также может привести к новым способам перемещения объектов, не касаясь их, что может быть полезно в тех случаях, когда загрязнение является проблемой.
«Это открывает новые возможности для массовой сборки крошечных деталей для микроэлектромеханических систем, например, и для измерения малых сил внутри таких систем», — говорит Томас Виттен, профессор Учикаго, который не участвовал в исследовании. «Кроме того, это заставляет нас пересмотреть, как «управляемые газы», такие как газы, управляемые тепловым потоком, могут отличаться от обычных газов. Управляемые газы обещают создать новые формы взаимодействия между взвешенными частицами».
Следующий шаг для исследователей-попытаться использовать технику левитации объектов размером более 0,4 дюйма (1 см) и изучить, как они могут реагировать друг на друга в этой среде.
«Наше расширенное понимание термофоретической силы поможет нам исследовать взаимодействия и связывающие сродства между частицами, которые мы наблюдали»,-говорит Михаил Усатюк, соавтор исследования. «Мы очень рады будущим направлениям исследований, которым мы можем следовать с помощью нашей системы».
Исследование было опубликовано в журнале Applied Physics Letters.
https://newatlas.com/heat-flow-levitation/47975/
Загрузка...
