Исследователи из Университета Бристоля разработали эффективное устройство в виде акустического левитатора, способного с помощью одного ультразвукового излучателя поднимать и стабилизировать в воздухе объекты значительной длины и массы. Согласно отчету ученых, в ходе основного демонстрационного эксперимента удалось создать акустический вихрь, обеспечивший взлет и устойчивое удержание над поверхностью излучателя шара диаметром 1,5 сантиметра. Данное достижение является значимым прорывом, так как ранее длина волны представляла собой фундаментальное ограничение для однолучевых систем, а само создание подобных левитаторов считалось сложной технической задачей. Для получения эффекта применяли два источника ультразвука. Тема показалась мне интересной и значимой. Под катом подробнее об акустической левитации объектов и исследовании британцев.

Несколько слов об акустической левитации

Вики определяет акустическую левитацию, как “устойчивое положение весомого объекта в стоячей акустической волне.” Это явление известно с 1934 года, когда его теоретически доказал Л.Кингом, позже в 1961 г. выводы о возможности явления сделаны Л.П.Горьковым.

Суть принципа, на котором работают акустические левитаторы, заключается в создании интерференции когерентных звуковых волн, которая приводит к возникновению локальных областей повышения давления. Благодаря этому тело может удерживаться в той или иной области пространства, а также перемещаться.

Лирическое отступление. В детстве, в далёких 90-х, мне доводилось играть в космическую цивилизационную стратегию Ascendancy. В ней планеты можно было оснащать т.н. tractor beam (захватным лучом), который был способен притягивать объекты из космоса. Удивился, когда дожил до момента изобретения похожего, пусть и миниатюрного, устройства.

Как размер перестал иметь значение

Ранние однолучевые акустические левитаторы разрабатывались различными учеными, в т.ч. Азьера Марцо (Asier Marzo) из Бристоля и бразильцем Марко Аурелио Бриццотти Андраде из университета Сан-Паулу. Они смогли добиться левитации объектов диаметром не более 4 миллиметра. Максимальный размер предметов, которые поднимал в воздух такой левитатор, должен был быть меньше длины стоячей волны.

Благодаря конструкции левитатора при излучении создаются несколько вихрей с одинаковой спиральностью и различными направлениями. В зоне их действия возникают локальные области высокого давления, удерживающие объект. Максимальный диаметр шара, который поднял в воздух бристольский аппарат — 1,6 см, что практически в 2 раза больше, чем длина волны, которую создает прибор. Также устройство способно изменять скорость вращения шарика, за счет изменения направления ультразвуковых вихрей.

Неожиданные двухмерные эффекты

Эксперименты ученых продемонстрировали, что при фиксации одной из координат (например, когда предмет находится на поверхности), левитатор новой конструкции способен захватывать и вращать объекты, превышающие длину волны в 5-6 раз. Этот эффект открывает новые возможности для применения устройств с акустическими вихрями. Предполагается их использование для создания центрифуг и лабораторных систем управления микро и макро частицами.

Итог

Успехи бристольской команды (Asier Marzo, Mihai Caleap и Bruce W. Drinkwater) показывают, что, вероятно, в ближайшем будущем акустические левитаторы будут применяться для создания лабораторного, а позже и промышленного оборудования.

Возможно, в обозримом будущем акустическая левитация сможет заменить магнитную, которая сегодня активно применяется для создания оригинального дизайна различных устройств, в том числе акустических систем и проигрывателей винила. Не исключено, что когда-нибудь человечество увидит и мощный акустический tractor beam (как в Ascendancy), способный фиксировать и перемещать действительно крупные объекты.

Авторы заявили об успешном эксперименте месяц назад на страницах Physical Review Letters.

Для любознательных

Акустическая левитация — это способ удерживать объекты в воздухе с помощью звуковых волн. В основе лежит принцип интерференции: две встречные звуковые волны складываются так, что в определённых точках пространства возникают «узлы» — зоны с минимальным давлением, где объект может висеть, не касаясь никаких поверхностей.

Работает это благодаря стоячей волне: излучатели создают волны, которые отражаются и накладываются друг на друга. В узлах стоячей волны давление меняется так, что возникает сила, компенсирующая гравитацию. Обычно используют ультразвук (частоты выше 20 кГц) — он не слышен человеку, но отлично подходит для удержания мелких частиц, капель жидкости и даже небольших предметов.

Где применяют акустические левитаторы

В лабораториях:

• Работа с чистыми веществами. Когда нельзя допустить контакта образца с контейнером или подложкой, левитация позволяет изучать вещества в «свободном» состоянии. Это важно для сверхчистых материалов, биомолекул и чувствительных соединений.
• Изучение жидкостей без смачивания. Каплю можно удерживать в воздухе и исследовать её свойства: вязкость, поверхностное натяжение, испарение, кристаллизацию. Такие эксперименты нужны в фармацевтике и материаловедении.
• Спектроскопия и анализ. Левитируемый образец удобно просвечивать лазером, снимать ИК- или рамановские спектры, делать масс-спектрометрию — контакт с держателем не искажает результаты.
• Моделирование условий невесомости. На Земле сложно полностью убрать гравитацию, но акустическая левитация даёт близкий эффект для небольших объектов. Это полезно для отработки технологий, предназначенных для космоса.

В промышленности:

• Производство микроэлектроники. Левитация помогает точно позиционировать мелкие детали без риска поцарапать их.
• Нанесение покрытий и 3D-печать. Удержание капли или частицы в нужной точке позволяет формировать структуры с высокой точностью.
• Фармацевтика и синтез материалов. Смешивание и кристаллизация без стенок сосуда снижает риск загрязнения и улучшает воспроизводимость результатов.
• Контроль качества. Бесконтактное удержание позволяет тестировать хрупкие или чувствительные изделия без механического воздействия.

Кто занимается акустической левитацией в мире

Исследованиями и разработками в этой области занимаются университеты, научные центры и технологические компании:

• Япония и США — одни из лидеров в разработке акустических манипуляторов. В этих странах активно изучают управление каплями и частицами с помощью ультразвука, а также создают прототипы для биотехнологий и микрофлюидики.
• Европейские лаборатории фокусируются на применении левитации в материаловедении и химии, в том числе для изучения высокотемпературных расплавов, которые нельзя держать в обычных тиглях.
• Китай наращивает активность в области акустических технологий, включая разработку компактных левитационных установок для лабораторий и промышленности.

В мире регулярно выходят статьи по акустической левитации в журналах по физике, приборостроению и биотехнологиям; проводятся конференции, посвящённые бесконтактным методам работы с материалами.

Акустическая левитация в России

В России исследования в области акустической левитации ведутся в нескольких научных центрах:

• Академические институты РАН (в том числе институты физики и акустики) изучают фундаментальные аспекты взаимодействия звуковых волн с веществом, разрабатывают методы бесконтактного манипулирования частицами и каплями.
• Университеты (МГУ, МФТИ, СПбГУ и другие) включают акустическую левитацию в учебные и исследовательские проекты по физике, акустике и прикладной механике. Студенты и аспиранты собирают экспериментальные установки, моделируют акустические поля и тестируют методы удержания объектов.
• Приборостроительные и технологические компании интересуются левитацией для задач точного позиционирования и контроля качества, хотя серийные промышленные решения пока встречаются редко.

Российские учёные публикуют статьи по акустическим методам в отечественных и международных журналах, участвуют в конференциях и сотрудничают с зарубежными коллегами.

Как устроены современные левитаторы

Типичный лабораторный акустический левитатор состоит из:

1. Ультразвуковых излучателей (пьезокерамических преобразователей), создающих волны нужной частоты.
2. Системы управления (генератора сигналов и усилителей), которая задаёт параметры волн.
3. Оптической системы (камеры, лазера, микроскопа) для наблюдения за объектом.
4. Механизма позиционирования (подвижных платформ или фазированной решётки излучателей), чтобы перемещать объект в пространстве.

Современные установки позволяют не просто удерживать объект, но и аккуратно двигать его, вращать и даже собирать из отдельных частиц более сложные структуры.

Перспективы и ограничения

Акустическая левитация открывает новые возможности для науки и производства, но у технологии есть и ограничения:

• Размер и масса объектов. Проще всего левитировать капли и частицы миллиметрового размера; удерживать крупные и тяжёлые предметы значительно сложнее.
• Точность и стабильность. Акустическое поле чувствительно к вибрациям и изменениям среды, поэтому для промышленных задач нужна надёжная изоляция и точная настройка.
• Энергозатраты. Для мощных левитаторов требуется достаточно много энергии, что влияет на стоимость эксплуатации.

Тем не менее, развитие электроники, вычислительных методов и новых материалов постепенно снимает эти ограничения. Уже сейчас акустическая левитация становится рабочим инструментом в передовых лабораториях, а в ближайшие годы можно ожидать появления более компактных и доступных решений для промышленности.

Почему это важно

Акустические левитаторы — пример того, как фундаментальная физика превращается в практическую технологию. Они позволяют работать с веществами и объектами так, как раньше было невозможно: без контакта, с высокой точностью и в контролируемых условиях. Это открывает путь к новым материалам, более чистым и воспроизводимым процессам, а также к приборам, которые раньше существовали только в научной фантастике.