Звуковые волны не только подвешивают крошечные предметы, но и перемещают их
Трагическая опера «Риголетто» может растрогать вас до слез, но вот более буквальное применение движущей силы звука. Звуковые волны с частотами чуть выше человеческого слуха могут левитировать крошечные частицы и капли жидкости и даже перемещать их, продемонстрировала команда инженеров. Этот прогресс может открыть новые способы обработки деликатных материалов или смешивания фармацевтических препаратов.
Исследователи уже разработали несколько методов левитации. Например, электростатические или магнитные поля могут оказывать концентрированное воздействие на объект для противодействия гравитации. Но эти поля действуют только на металлические вещества или материалы с магнитными свойствами. Однако звуковые волны не различают, и физики разработали основной принцип «акустической левитации» почти столетие назад. Вибрирующая пластина генерирует звуковую волну, которая отражается от другой поверхности, создавая устойчивую стоячую волну. Точки с более низким давлением в этой статической схеме могут задерживать частицу. Ученые научились удерживать все более тяжелые частицы, включая сверхплотный иридий и даже капли жидкости, в этом акустическом приятном месте.
Но до сих пор это было в значительной степени уловкой, говорит инженер-механик Димос Поуликакос из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе. «Это похоже на то, что у нас была машина, которую мы делали все красивее и красивее, но она оставалась припаркованной. Мы никогда не умели водить машину». Перемещение жидкости со звуком — это тонкое уравновешивающее действие, говорит он. Когда вы изменяете акустическую силу, чтобы толкать каплю, вы рискуете разбить ее слишком большим давлением.
Команда Поуликакоса потратила 4 года, пытаясь сдвинуть с места свои плавающие капли. Наконец, они придумали установку в стиле шахматной доски с несколькими вибрирующими пластинами, каждая из которых генерирует свою собственную звуковую частоту. Изменяя частоту, излучаемую каждой пластиной, они могут перемещать акустическое поле и объект, захваченный внутри. Их новый дизайн, описанный сегодня в Интернете в Трудах Национальной академии наук, может точно контролировать боковое движение капель жидкости, сохраняя их плавными в воздухе. Он также может двигать их навстречу друг другу. Когда две капли попадают в одно и то же место, они могут объединиться в одну каплю или резко отреагировать. Например, насильственное соединение натрия и воды — это тип реакции, которую лучше всего наблюдать и контролировать на расстоянии, говорит Поуликакос.
В новом исследовании команда объединяет жидкости с твердыми веществами, растворяя кофе в капле воды, а также использует установку для подъема и вращения зубочистки. Ранее никому не удавалось контролировать объекты диаметром более нескольких миллиметров, говорит физик Крис Бенмор из Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс, который не принимал участия в работе. Эта техника ограничена объектами, плотность которых примерно в три раза превышает плотность воды, но сейчас команда работает над тем, чтобы раздвинуть ее пределы. Изменяя форму отражающей поверхности для создания более сильной акустической силы, они рассчитывают перемещать более плотные материалы, такие как сталь.
«То, что они сделали, довольно впечатляет», — говорит Бенмор, который разрабатывает методы акустической левитации для модификации жидкостей для фармацевтических препаратов. Контролируемое боковое движение требует тщательной координации акустических полей над каждой пластиной. «Я не знаю, пытался ли кто-нибудь сделать это раньше», — говорит он. Если масштабировать процесс, он может обеспечить «бесконтактную» сборку лекарств: химические компоненты могут быть объединены, а затем удалены с дороги без риска загрязнения с твердых поверхностей. Команда сообщает, что их метод также может быть использован для введения ДНК в растворе в клетки в нетронутой среде или для обработки агрессивных химических веществ, которые могут повредить их контейнеры.
https://www.science.org/content/article/momentous-shift-sonic-levitation
Загрузка...
