Содержание
Большие объекты левитировали, используя разницу температур. Этот метод работает с любым типом объекта.
Левитация может показаться волшебной вещью, но только за последнее десятилетие многие исследователи показали, что это можно сделать, используя различные физические явления. Например, поезда на магнитной подвеске буквально плывут по рельсам благодаря мощным электромагнитам. Магниты и сверхпроводники могут левитировать объекты благодаря квантовой механике. Вы даже можете использовать лазеры или акустические волны, чтобы заставить некоторые частицы левитировать.
Физика невозможного
Все это очень мощная демонстрация науки, однако каждый из этих методов работает только с определенными объектами. Теперь новая техника левитации, разработанная в Чикагском университете, может поднимать частицы практически любой природы. Метод работает, используя разницу температур.
«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»,-сказал ведущий исследователь Чен чин, профессор физики.
Различные предметы, от керамических шариков до стеклянных зерен, помещались в вакуум между двумя пластинами. Нижняя пластина сделана из меди и имеет постоянную комнатную температуру, в то время как верхняя пластина из нержавеющей стали охлаждается жидким азотом почти до-300 ° F (-184 ° C). Естественно, градиент тепла перемещается от нижней пластины, которая теплее, к верхней. Поскольку разница температур настолько велика, это изменение может подметать частицы вдоль градиента.
«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.»
Чтобы объекты могли стабильно левитировать, необходимо было достичь тонкого баланса между многими параметрами. Они включают в себя относительный размер пластин, расстояние между ними или поверхность нижней пластины, которая должна быть идеально горизонтальной, иначе объекты плавают 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».
Некоторые из преимуществ термофоретической левитации по сравнению с магнитной или оптической левитацией включают более длительное время (левитация поддерживалась до часа, а не просто минуты) или ориентацию (левитация поддерживалась как радиально, так и вертикально, в отличие от просто вертикального использования других методов).
До сих пор только частицы размером менее 1 см (0,4 дюйма) левитировались с помощью термофоретической силы. Следующий шаг-опробовать его на более крупных объектах.
Помимо того, что тепловая левитация является изящным научным трюком, она может помочь исследователям, например, изучить влияние микрогравитации на биологические организмы без необходимости отправлять что-либо в космос. Поскольку при этом не используется прикосновение, этот метод может оказаться полезным для работы с опасными материалами, которые могут привести к загрязнению. И не в последнюю очередь такая работа очень важна для фундаментальных исследований, поскольку мы могли бы узнать больше о том, как частицы взаимодействуют и связываются.
«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».
Ссылка на журнал: «стабильное термофоретическое улавливание родовых частиц при низких давлениях», Фрэнки Фунг, Михаил Усатюк, Б. Дж. Десальво и Ченг чин в письмах по прикладной физике, 20 января 2017 г. Дои 10.1063/1.4974489
https://www.zmescience.com/science/news-science/thermal-levitation32432/
Загрузка...
