Бесконтактная техника когда-нибудь может быть использована для подъема гораздо более тяжелых предметов - возможно, даже людей.
Ключевые выводы
- С 1980-х годов исследователи используют звуковые волны для перемещения материи с помощью метода, называемого акустическим захватом.
- Акустические улавливающие устройства перемещают частицы материи, испуская специально разработанные звуковые волны, которые взаимодействуют таким образом, что материя становится «захваченной» в областях с определенной скоростью и давлением.
- Акустические и оптические ловушки уже используются в различных областях, включая медицину, нанотехнологии и биологические исследования.
Звук может оказывать мощное воздействие на материю. В конце концов, звук поражает наш мир волнами - колебаниями молекул воздуха, которые отскакивают, поглощаются или проходят через окружающую нас материю. Звуковые волны опытного оперного певца могут разбить бокал вина. От струи они могут обрушить каменную стену. Но звук также можно использовать для тонкого взаимодействия с материей.
С 1980-х годов исследователи использовали звук для перемещения материи посредством явления, называемого акустическим захватом. Метод основан на том факте, что звуковые волны создают силу акустического излучения.
«Когда акустическая волна взаимодействует с частицей, она создает как колебательную силу, так и гораздо меньшую стационарную «радиационную» силу», - пишет Американское физическое общество. «Эта последняя сила используется для захвата и манипулирования. Радиационные силы генерируются рассеянием бегущей звуковой волны или градиентами энергии в звуковом поле.”
Когда мельчайшие частицы сталкиваются с этим излучением, они имеют тенденцию притягиваться к областям с определенным давлением и скоростью в пределах звукового поля. Исследователи могут использовать эту тенденцию, разрабатывая звуковые волны, которые «задерживают» или «подвешивают» мельчайшие частицы в воздухе. Устройства, которые делают это, часто называют «акустическими пинцетами».
Собираем лучший пинцет
Исследование, недавно опубликованное в Японском журнале прикладной физики, описывает, как исследователи создали новый тип акустического пинцета, способного поднимать в воздух небольшой шарик из полистирола.
Это не первый пример удачного устройства «акустического пинцета», но новый метод, вероятно, является первым, позволяющим преодолеть распространенную проблему акустического захвата: звуковые волны, отражающиеся от отражающих поверхностей, нарушают акустический баланс. ловушки.
Чтобы свести к минимуму проблемы отражательной способности, команда, проводившая недавнее исследование, настроила ультразвуковые преобразователи таким образом, чтобы звуковые волны, которые они производят, перекрывались стратегическим образом, способным поднять небольшой кусочек полистирола с отражающей поверхности. поверхность. Изменяя то, как преобразователи излучают звуковые волны, команда может перемещать акустическую ловушку в пространстве, которая перемещает частицу материи.
Двигайтесь, но не трогайте
Пока устройство способно с разной степенью успешности перемещать только куски материи миллиметрового размера. «Когда мы перемещаем частицу, она иногда рассеивается», - отметила команда. Тем не менее, улучшенное акустическое улавливание и другие технологии бесконтактного подъема, такие как оптический пинцет, обычно используемый в медицине, могут оказаться полезными во многих будущих приложениях, включая разделение клеток, нанотехнологии и биологические исследования..
Могут ли будущие акустические улавливающие устройства поднимать большие и тяжелые предметы, возможно, даже людей? Это кажется возможным. В 2018 году исследователям из Бристольского университета удалось акустически уловить частицы, диаметр которых превышал длину волны звука, что стало прорывом, поскольку превзошло «классический предел рэлеевского рассеяния, который ранее ограничивал стабильный акустический захват частиц», - написали исследователи в их изучение.
Другими словами, методика, которая включала взвешивание вещества в акустических ловушках, подобных торнадо, показала, что возможно масштабировать акустические ловушки.
«Акустические тяговые лучи имеют огромный потенциал во многих приложениях», - заявил в своем заявлении соавтор исследования 2018 года Брюс Дринкуотер. «Меня особенно вдохновляет идея бесконтактных производственных линий, где хрупкие предметы собираются, не касаясь их».