Forskere er i stand til at fremstille partikler, flydende dråber og endda tandstikkere flyver i luften ved at lade dem ride på akustiske bølger. For første gang kan de også kontrollere deres bevægelse.
Forskerne styrer bevægelsen af det leviterede objekt - her en tandstikker - ved at variere de akustiske bølger i flere partikelemitter-reflektormoduler. Fotokredit: Daniele Foresti / ETH Zürich
En tandstikker, der flyder i luften uden nogen støtte - dette kan lyde som om det involverer skjulte tråde, magneter eller andre træk-fra-hånd-tricks fra tryllekunstnere. Men det faktiske trick, som Daniele Foresti, tidligere doktorand nu er postdoktorisk forsker ved Laboratoriet for termodynamik i nye teknologier, er baseret på akustiske bølger.
Til trods for udseendet af "magi", indså han og hans kolleger og kontrollerede den plane bevægelse af flydende genstande i luften, uanset deres egenskaber, uden at det drejer sig om trolddom, men videnskab. Dette er ikke blot et morsomt trick: bevægelse af genstande som partikler eller dråber af en væske frit i luften gør det muligt at undersøge processer, samtidig med at man undgår enhver forstyrrende kontakt med en overflade. For eksempel kompromitteres nogle kemiske reaktioner og biologiske processer af overflader, og visse stoffer går i opløsning ved kontakt med en overflade.
Rider på en stationær bølge
Indtil nu har forskere været i stand til at generere en sådan "kontaktfri" levitationstilstand kun ved hjælp af magneter, elektriske felter eller i væsker ved hjælp af opdrift. Disse metoder begrænser imidlertid valget af materialer, der kan håndteres. ”Det er ekstremt vanskeligt at opløse og præcist flytte en dråbe væske med en magnet. Væsken skal have magnetiske egenskaber. I væsker, hvor opdriftskraften understøtter levitation, kan du kun bruge ikke-blandbare væsker såsom en dråbe olie i vand, ”forklarer Dimos Poulikakos, professor i termodynamik og leder af forskningsprojektet.
Derimod er det med akustiske bølger muligt at opløse forskellige genstande uanset deres egenskaber. Den begrænsende faktor er objektets maksimale diameter, som skal svare til halvdelen af bølgelængden af den akustiske bølge, der anvendes. Et objekt når den stationære ophøjede tilstand, når alle kræfter, der virker på det, er i ligevægt. Med andre ord modvirkes tyngdekraften, der trækker objektet i en retning af en lige så stor kraft i den modsatte retning. Denne kraft kommer fra den akustiske bølge, som forskerne genererer som en stående bølge mellem en emitter og en reflektor, der genlyder de akustiske bølger. Kraften i den akustiske bølge skubber mod genstanden og forhindrer dermed den i at falde på grund af tyngdekraften. Det ligner begrebet luftstrålen fra en ventilator, der holder en ping-pong-kugle i luften.
Fotokredit: Daniele Foresti / ETH Zürich
At lave en flyvende dråbe kaffe
Viden om, at akustiske bølger kan udøve en kraft - den akustiske strålingstrykseffekt - på et objekt for at holde det i suspension blev opdaget for mere end 100 år siden. Indtil nu var det imidlertid ingen, der havde haft succes med at kontrollere bevægelsen af genstande, der kører på akustiske bølger i luften. Foresti opnåede dette mål ved at tænde for flere emitter-reflektormoduler parallelt ved siden af hinanden. Han varierede de akustiske bølger fra modul til modul for at overføre partikler eller dråber af væske fra det ene modul til det næste.
I en testkørsel brugte Foresti denne metode til at flytte en granule instant kaffe videre til en dråbe vand og flette de to. I et yderligere eksperiment blandede han to dråber væske med forskellige pH-værdier, den ene alkalisk og den anden sur; den resulterende dråbe indeholdt et fluorescerende pigment, der kun lyser ved en neutral pH-værdi. I en video fangede han, hvordan de to dråber blandes, og pigmentet begynder at gløde.
Undersøgelse af processer i en leviteret tilstand
”Denne metode til at flytte leviterede genstande kunne have en lang række mulige anvendelser,” siger Foresti. Processen med kontrolleret bevægelse kan køre parallelt med flere objekter, hvilket gør den interessant til industrielle anvendelser. For eksempel kræver nogle biologiske og kemiske eksperimenter partikler eller dråber af kildemateriale, der oprindeligt behandles og derefter analyseres. Med denne teknik kan forskere blande små mængder stoffer og væsker trin for trin uden at kemiske ændringer opstår på grund af kontakt med en overflade.
Forskerne testede allerede metoden med dråber og partikler på adskillige millimeter i diameter. Excitation af de akustiske bølger skal vælges efter omhyggelig teoretisk analyse: Hvis den akustiske kraft overskrider overfladen af en bestemt væske, bliver dråben atomiseret eksplosivt. Forskerne leviterede med succes dråber vand, kulbrinter og forskellige opløsningsmidler.
Via ETH Zurich