Naujas garso levitacijos proveržis


Garso levitacija

Skruzdėlės kojos ir bitės sparno levitacija. Kreditas: UTS garso akustikos ir vibracijos centras

Akustinės levitacijos teorija išplečiama naujais tyrimais, kurie taip pat išryškina galimus panaudojimo būdus.

Garso bangos, kaip nematomas pincetas, gali būti naudojamos mažiems objektams levituoti ore. Nors „pasidaryk pats“ akustinės levitacijos rinkiniai yra lengvai prieinami internete, ši technologija yra svarbi tiek moksliniams tyrimams, tiek pramonei, įskaitant manipuliavimą subtiliomis medžiagomis, tokiomis kaip biologinės ląstelės.

Tyrėjai iš Sidnėjaus technologijos universitetas (UTS) ir Naujojo Pietų Velso universitetas (UNSW) neseniai įrodė, kad norint tiksliai valdyti dalelę naudojant ultragarso bangas, būtina atsižvelgti ir į dalelės formą, ir į tai, kaip tai veikia akustinį lauką. Jų išvados neseniai buvo paskelbtos žurnale Fizinės apžvalgos laiškai.

Garso levitacija įvyksta, kai garso bangos sąveikauja ir sudaro stovinčią bangą su mazgais, kurie gali „sugauti“ dalelę. Pagrindinė Gorkovo akustoforezės teorija, dabartinis matematinis akustinės levitacijos pagrindas, daro prielaidą, kad įstrigusi dalelė yra sfera.

„Ankstesni teoriniai modeliai nagrinėjo tik simetriškas daleles. Išplėtėme teoriją, kad atsižvelgtume į asimetrines daleles, kurios labiau pritaikomos realiame pasaulyje“, – sakė pagrindinis autorius dr. Shahrokh Sepehrirahnama iš Biogeninės dinamikos laboratorijos UTS garso, akustikos ir vibracijos centre.

„Naudodami savybę, vadinamą Williso jungtimi, parodome, kad asimetrija keičia jėgą ir sukimo momentą, taikomą objektui levitacijos metu, ir pakeičia „gaudimo“ vietą. Šios žinios gali būti panaudotos norint tiksliai valdyti ar rūšiuoti objektus, mažesnius už ultragarso bangos ilgį“, – sakė jis.

„Plačiąja prasme mūsų siūlomas modelis, pagrįstas forma ir geometrija, suartins dvi populiariausias bekontaktinio ultragarsinio manipuliavimo ir metamedžiagų (medžiagų, sukurtų taip, kad jų savybė nėra gamtoje) sritis“, – pridūrė jis.

Docentas Sebastianas Oberstas, Biogeninės dinamikos laboratorijos vadovas, teigė, kad galimybė tiksliai valdyti mažus objektus jų neliečiant gali padėti tyrėjams ištirti jautrių biologinių objektų, tokių kaip vabzdžių priedėliai, vabzdžių sparnai ar skruzdėlės ir termitų kojos, dinamines medžiagos savybes. .

„Žinome, kad vabzdžiai turi žavių sugebėjimų – termitai itin jautrūs vibracijai ir gali bendrauti per šį jutimą, skruzdėlės gali nešti daug kartų didesnį svorį ir atsispirti didelėms jėgoms, o filigraniška medaus bičių sparnų struktūra apjungia tvirtumą ir lankstumą.

„Geresnis šių gamtos objektų specifinės struktūrinės dinamikos supratimas – kaip jie vibruoja ar priešinasi jėgoms – leistų sukurti naujas medžiagas, pagrįstas įkvėpimu iš gamtos, skirtas naudoti tokiose pramonės šakose kaip statyba, gynyba ar jutiklių kūrimas. “

Tyrėjai sutelkė dėmesį į bandymą suprasti termitų jutimo organų mechanines savybes, kad vėliau sukurtų ir patobulintų itin jautrius vibracijos jutiklius. Neseniai jie nustatė pogenualinio organo, esančio termito kojoje, struktūrines detales, kurios gali jausti mikrovibracijas.

„Šiuo metu labai sunku įvertinti šių biologinių medžiagų dinamines savybes. Net neturime įrankių, reikalingų jiems laikyti. Juos palietus gali sutrikti matavimai, o naudojant bekontakčius lazerius gali būti padaryta žala“, – sakė docentas Oberstas.

“Taigi šio dabartinio teorinio tyrimo plataus masto taikymas yra nekontaktinės analizės naudojimas, siekiant išgauti naujus medžiagų principus kuriant naujas akustines medžiagas.”

Nuorodos: Shahrokh Sepehrirahnama, Sebastian Oberst, Yan Kei Chiang ir David A. Powell „Willis Coupling-induced akustinės spinduliuotės jėga ir sukimo momento pasikeitimas“, 2022 m. spalio 17 d. Fizinės apžvalgos laiškai.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.174501

Traversas M. Sansomas, Sebastianas Oberstas, Adrianas Richteris, Josephas CS Lai, Mohammadas Saadatfaras, Manuela Nowotny ir Theodore’as A. Evansas, „Žemo radiotankio μCT skenavimas, siekiant atskleisti išsamią termito kojos ir jo subgenualinio organo morfologiją“, 2022 m. liepos 8 d. Nariuotakojų struktūra ir vystymasis.
DOI: 10.1016/j.asd.2022.101191

Tyrimą finansavo Australijos tyrimų taryba.

Kiti mokslininkai, prisidėję prie šio tyrimo, yra daktaras Davidas Powellas iš UNSW ir dr. Yan Kei Chiang iš UNSW Kanberos.