Звук против силы тяжести: как новая технология научилась левитировать сразу несколько объектов

Физики преодолели ключевое ограничение акустической левитации, добавив электрический заряд, и теперь могут управлять роем частиц в воздухе.

Учёные нашли способ преодолеть главное ограничение акустической левитации — технологии, которая десятилетиями позволяла с помощью звука удерживать в воздухе лишь по одному объекту за раз. Новый подход, разработанный в Институте науки и технологий Австрии (ISTA), использует электрический заряд, чтобы одновременно и точно контролировать множество частиц, открывая путь к революции в микро-робототехнике, фармацевтике и материаловедении.

Что такое акустическая левитация?

Акустическая левитация — это метод удержания вещества в воздухе без физического контакта с помощью интенсивных звуковых волн, обычно ультразвука. Звук создаёт стоячую волну с областями высокого и низкого давления. Небольшие объекты — капли, частицы или хрупкие образцы — захватываются в узлах низкого давления, где акустическая сила уравновешивает гравитацию. Это позволяет бесконтактно анализировать самые разные материалы, от биологических тканей до реактивных химических веществ.

Проблема «комкования» и её решение

Долгое время у технологии был фундаментальный недостаток: звуковое поле создавало вторичные силы притяжения между близко расположенными объектами, заставляя их слипаться в неконтролируемые комки. Это делало невозможным управление несколькими независимыми частицами одновременно.

Прорыв совершила команда под руководством профессора Скотта Вайтакуйтиса. Исследователи добавили в систему электрический заряд. Частицы с одинаковым зарядом начали отталкиваться друг от друга благодаря электростатической силе, описанной законом Кулона. Этот простой, но эффективный приём позволил подавить «акустический коллапс» — явление, при котором частицы слипались в воздухе.

Новые возможности контроля

«Противодействуя звуку электростатическим отталкиванием, мы можем удерживать частицы разделёнными», — пояснила первый автор исследования, аспирантка Сью Ши.

Настроив баланс между акустическими и электростатическими силами, физики получили беспрецедентный контроль. Они могут заставить частицы полностью разделиться, образовать кластеры или гибридные структуры. Кроме того, учёные наблюдали ранее невиданное поведение: спонтанное вращение, движение по петле или преследование одних частиц другими. Это указывает на сложные невзаимные взаимодействия, где импульс уносится самим звуковым полем.

Практическое применение: от планет до микророботов

Метод открывает двери для новых приложений:

  • Микро-робототехника и сборка: Создание динамических структур и микросхем из крошечных компонентов без физического контакта.

  • Фундаментальная наука: Моделирование процессов в невесомости, например, агломерации космической пыли при формировании планет.

  • Фармацевтика и материаловедение: Бесконтактный анализ и манипуляция с чувствительными веществами.

  • Новые технологии: Развитие интерактивных 3D-дисплеев и многослойной 3D-печати с несколькими материалами одновременно.

Это открытие демонстрирует, как простое добавление одной фундаментальной силы — электрического отталкивания — может решить давнюю проблему и открыть целый спектр новых возможностей для управления материей.

Читайте также

«Розовый шум» во время сна усиливает очистку мозга: новое исследование MIT

«Розовый шум» во время сна усиливает очистку мозга: новое исследование MIT

Травля медведей была привезена в Англию норманнами

Травля медведей была привезена в Англию норманнами

Китовая акула проплыла 54 700 км за 10 лет

Китовая акула проплыла 54 700 км за 10 лет

Эволюция – не слепой случай: ученые обнаружили скрытый «компас» в геноме

Эволюция – не слепой случай: ученые обнаружили скрытый «компас» в геноме

«Оземпик» продлил жизнь старым мышам на 100 дней

«Оземпик» продлил жизнь старым мышам на 100 дней

Ученых шокировала змея, охотящаяся с помощью фальшивого паука на хвосте

Ученых шокировала змея, охотящаяся с помощью фальшивого паука на хвосте

Стартап Hylenr Technologies заявил об обнаружении 32 элементов после эксперимента с ядерным синтезом

Стартап Hylenr Technologies заявил об обнаружении 32 элементов после эксперимента с ядерным синтезом

ООН предупредила: глобальное потепление вскоре превысит критический порог в 1,5 °C

ООН предупредила: глобальное потепление вскоре превысит критический порог в 1,5 °C

Состоялся запуск новейшего космического телескопа NASA

Состоялся запуск новейшего космического телескопа NASA

20 лет назад Плутон перестал быть планетой — почему с этим до сих пор не все согласны?

20 лет назад Плутон перестал быть планетой — почему с этим до сих пор не все согласны?

15 технологий древности, которыми человечество пользуется до сих пор

15 технологий древности, которыми человечество пользуется до сих пор

Семь самых больших машин в истории: гиганты весом в тысячи тонн и длиной в километры

Семь самых больших машин в истории: гиганты весом в тысячи тонн и длиной в километры

В МГУ научились предсказывать разрушение вертолетных лопастей

В МГУ научились предсказывать разрушение вертолетных лопастей

Виртуальный мозг мухи научили торговать криптовалютой

Виртуальный мозг мухи научили торговать криптовалютой

Почему роботы умеют делать сальто, но до сих пор не могут нормально сложить рубашку

Почему роботы умеют делать сальто, но до сих пор не могут нормально сложить рубашку

NASA и IBM создали ИИ для поиска льда и неизвестных объектов на Луне

NASA и IBM создали ИИ для поиска льда и неизвестных объектов на Луне