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

Владение смартфоном снижает навыки чтения у детей 3–6 классов – исследование UCLA

Владение смартфоном снижает навыки чтения у детей 3–6 классов – исследование UCLA

Следы возрастом 1,43 млн лет у озера Туркана рассказали о предках человека ростом 180 см

Следы возрастом 1,43 млн лет у озера Туркана рассказали о предках человека ростом 180 см

Китайские ученые создали сверхпрочный сплав, выдерживающий нагрев до 2400 °C

Китайские ученые создали сверхпрочный сплав, выдерживающий нагрев до 2400 °C

Медицинские технологии, в которые почти невозможно поверить

Медицинские технологии, в которые почти невозможно поверить

Траектория старения: в ННГУ научились прогнозировать возрастные изменения у конкретного человека

Траектория старения: в ННГУ научились прогнозировать возрастные изменения у конкретного человека

Ученые МИСИС создали наночастицы с защитой от перегрева для терапии рака

Ученые МИСИС создали наночастицы с защитой от перегрева для терапии рака

Физики раскрыли загадку «лишнего» гамма-излучения атомных ядер, над которой бились десятилетиями

Физики раскрыли загадку «лишнего» гамма-излучения атомных ядер, над которой бились десятилетиями

Ученые выяснили, что многолетние финансовые трудности могут ускорять старение мозга

Ученые выяснили, что многолетние финансовые трудности могут ускорять старение мозга

Рождение GEO: как бренды платят миллионы, чтобы их советовал ИИ

Рождение GEO: как бренды платят миллионы, чтобы их советовал ИИ

Робот МФТИ установил рекорд сборки головоломки «мегаминкс» за 9,6 секунды

Робот МФТИ установил рекорд сборки головоломки «мегаминкс» за 9,6 секунды

Бензин как лотерея: станут ли гибриды и электромобили популярным выбором россиян?

Бензин как лотерея: станут ли гибриды и электромобили популярным выбором россиян?

7 удивительных фактов о черных дырах, которые меняют наше представление о Вселенной

7 удивительных фактов о черных дырах, которые меняют наше представление о Вселенной

22-тонный КАМАЗ-1010 «обманывает» законы физики в карельских лесах

22-тонный КАМАЗ-1010 «обманывает» законы физики в карельских лесах

ChatGPT заблокировал запросы на имитацию стиля известных писателей

ChatGPT заблокировал запросы на имитацию стиля известных писателей

Ученые предложили новый способ искать разумную жизнь во Вселенной — без поиска технологий

Ученые предложили новый способ искать разумную жизнь во Вселенной — без поиска технологий

«Умный пластырь» определяет сахар в крови через пот за пять секунд

«Умный пластырь» определяет сахар в крови через пот за пять секунд