Звук — новый путь к левитации

Техника использует звуковые волны для парения объектов в воздухе
Парящие кофейные зерна, танцующие в воздухе капли воды, летающие зубочистки — если вы пройдетесь по одной из швейцарских лабораторий, вы не поверите своим глазам. Впервые ученые нашли возможность манипулирования объектами в толще воздуха при помощи звуковых волн.

Открытая физиками акустическая левитация может быть использована для создания новых материалов, проведения деликатных экспериментов и даже — теоретически — для левитации человека.

Акустическую левитацию придумали в NASA в 1980-х годах, но до настоящего времени ученые не могли удерживать объекты на месте или вращать их вокруг собственной оси. Теперь исследователи из Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе разработали способ перемещения объектов и удержания более одного предмета в воздухе одновременно.

Швейцарская система использует вибрирующие квадратные платформы, каждая из которых имеет размер ногтя большого пальца руки. Эти миниатюрные устройства испускают звуковые волны, которые отражаются от поверхностей тел, расположенных над платформой. При некоторых частотах отраженный звук вместе со звуком, исходящим от платформы, образует так называемую стоячую волну, у которой есть некоторые точки, или узлы, остающиеся неподвижными при колебании волны. Объект, размещенный в одной из таких точек, может парить в воздухе за счет баланса силы действия звуковой волны и гравитации.

Изменяя силу звука, исследователи научились переносить объекты с платформы на платформу. В качестве яркой демонстрации метода они растворили гранулу растворимого кофе, перенеся ее внутрь парящей капли воды, и даже научились управлять парящей зубочисткой.

Звук — новый путь к левитации

«Наша идея заключалась в том, чтобы плотно упаковать “левитаторов” и затем “перебрасывать мячик” от одного к другому», — объясняет д-р Дэниел Форести (Daniele Foresti), руководивший исследованиями.

Чтобы произвести достаточную подъемную силу, система вырабатывает звуковые волны интенсивностью 160 дБ — такую интенсивность имеет звук взлетающего рядом с вами реактивного самолета. Поэтому ученые применяли ультразвуковые волны частотой 24 000 Гц, слишком высокие, чтобы их было слышно человеку.

Звуковая левитация может помочь химикам перемещать опасные вещества без того, чтобы брать их в руки, двигать отдельные клетки без риска их загрязнить или повредить, манипулировать жидкостями, охлажденными ниже точки их замерзания. «Суперохлажденные жидкости начинают замерзать, как только они соприкасаются со стенками емкости, — поясняет Форести. — Но с помощью левитации мы можем сохранить их в жидком состоянии. Например, мы можем использовать нашу систему для того, чтобы соединить два суперохлажденных металла и создать новые типы сплавов».

Брюс Дринквотер

Профессор ультразвуковой техники Бристольского университета (Великобритания)

"Это просто замечательная работа — они добились превосходного контроля левитирующих объектов. Левитация сама по себе уже совсем не является новостью, но речь обычно идет о левитации объектов с помощью таких вещей, как магнитная подвеска, о левитации заряженных пылинок в электрическом поле или, допустим, прозрачных объектов в оптических системах. Акустическая система левитации наименее зависима от материала объекта.

Если вы хотите поднять в воздух объекты большего размера, вам придется увеличить длину звуковой волны, что существенно для манипуляции предметами. Это так же, как с вашей ладонью: можно взять в руку теннисный мячик, но этот номер не пройдет с отдельным атомом или домом. Длина волны должна быть сопоставимой с размерами предмета, который вы левитируете.

Соответственно, для того чтобы поднять в воздух человека, нужно существенно увеличить длину звуковой волны и уменьшить частоту звука. Это не так просто: звук перейдет в слышимую область, и потребуется экстремально высокая интенсивность звука — неизвестно, как человеческое тело отреагирует на нее.

Мне очень нравится идея бесконтактной производственной линии с использованием такой технологии, которая сможет в будущем соединять вместе электронные компоненты или, к примеру, оперировать группами клеток в безлюдных помещениях."

Хронология исследования левитации:

1909

Роберт Милликен и Харви Ретчер из Чикагского университета (США) левитировали заряженные капельки масла в электрическом поле. Так они смогли измерить заряд электрона.

1971

Артур Эшкин и Юзеф Дзедзиц из Лаборатории Белла использовали лазер для оптической левитации стеклянных частиц. «Оптические пинцеты» используются в науке и сейчас.

1980

NASA разработала систему акустической левитации для симуляции микрогравитации. Удалось левитировать объекты типа деревянных шариков и капель глицерина.

1997

Андрей Гейм, работавший тогда в Неймегенском университете, провел опыт с левитацией живой лягушки в магнитном поле, принесший ему Игнобелевскую премию 2000 года.

2006

Ученые из Северо-Западного политехнического университета в Китае использовали звуковые волны для левитации мелких животных, таких как муравьи, жуки, пауки, пчелы и рыбы.

2013

Ученые из Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе нашли способ перемещать объекты и удерживать в воздухе несколько предметов, используя звуковые волны.