Акустична левитация | dLambow

(Acoustic levitation) -

Акустична левитация - звукова левитация за задържане на обекти във въздуха

Какво е акустична левитация?

Акустичната левитация, известна още като звукова левитация, е метод за задържане на обекти във въздуха чрез използването на акустично радиационно налягане, създадено от интензивни звукови вълни. Тази технология разчита на стоящи вълни – звукови вълни, които се генерират между излъчвател и отражател, създавайки „възли“ с високо налягане, където обектите могат да бъдат стабилно задържани.

Обикновено се използват ултразвукови честоти (над 20 kHz), които са над прага на човешкия слух, за да се избегне шум, но в някои случаи са прилагани и чуваеми честоти. Това е форма на акустофореза, но докато акустофорезата често се свързва с манипулация на микроскопични частици, акустичната левитация се фокусира върху преодоляване на гравитацията за по-големи обекти.

Акустична левитация (Acoustic levitation)

Ефекти на акустичната левитация

Акустичната левитация позволява безконтактно манипулиране на обекти, което е основният ѝ ефект. Това означава, че обектите могат да бъдат повдигани, задържани или премествани във въздуха без физически контакт. Ефектите включват:

• - Стабилно позициониране: Обектите се задържат в определена точка в пространството, обикновено на височина от няколко милиметра до сантиметри, в зависимост от мощността и честотата на звуковите вълни.
• - Движение в пространството: Чрез промяна на акустичното поле обектите могат да бъдат премествани в една, две или дори три равнини.
• - Безконтейнерна обработка: Позволява работа с материали, без те да влизат в контакт с повърхности, което е особено полезно за химични реакции или работа с чувствителни вещества.
• - Физически ефекти върху обектите: При високи интензитети звуковите вълни могат да предизвикат вибрации или нагряване на обектите, което може да повлияе на тяхната структура или свойства.

За какво може да се използва?

Акустичната левитация има широк спектър от потенциални приложения, особено в области, където безконтактната манипулация е от решаващо значение:

• - Фармацевтична индустрия: Манипулирането на малки частици или капки без контакт може да подобри чистотата на лекарствата, като се избегне замърсяване от контейнери. Например, може да се използва за смесване на химикали или за увеличаване на разтворимостта на лекарства.
• - Биомедицина: Възможно е прилагането ѝ при операции, като извличане на камъни от бъбреците, или за манипулация на биологични проби без замърсяване.
• - Нанотехнологии: Акустичната левитация може да помогне за прецизно позициониране на наночастици при производството на електронни компоненти.
• - Космически изследвания: НАСА използва акустична левитация за експерименти в микрогравитация, като симулира условия на безтегловност за изучаване на течности и материали.
• - Химия и материалознание: Позволява обработка на високотемпературни или химически чувствителни материали, които не могат да бъдат държани в контейнери, например при синтез на чисти материали.
• - Образование и демонстрации: Акустичната левитация се използва за визуализиране на физични принципи в учебни среди, като показва как звуковите вълни могат да взаимодействат с материята.

Теоретично, в бъдеще технологията може да намери приложение дори в строителството или транспорта, ако бъде усъвършенствана за повдигане на по-тежки обекти, но това все още е далечна перспектива.

До каква степен може да е опасна?

Акустичната левитация, когато се извършва с ултразвукови вълни, обикновено е безопасна за хората, тъй като честотите са извън обхвата на човешкия слух и не причиняват шум. Въпреки това има потенциални опасности, които зависят от условията на експеримента:

• - Високи интензитети на звука: За да се преодолее гравитацията, често са необходими звукови вълни с много висок интензитет. При използване на чуваеми честоти това може да доведе до увреждане на слуха или дискомфорт, ако не се вземат предпазни мерки.
• - Топлинни ефекти: Високоинтензивните звукови вълни могат да предизвикат нагряване на левитираните обекти или на околната среда, което може да бъде опасно при работа с летливи вещества.
• - Ниски честоти: Използването на ниски честоти за левитация на по-големи обекти може да бъде опасно, тъй като те могат да причинят резонанс в човешкото тяло, потенциално водещо до здравословни проблеми като гадене или вътрешни травми.
• - Експериментални рискове: При работа с по-големи обекти или по-мощни системи съществува риск от нестабилност – обектите могат да паднат или да бъдат изхвърлени с голяма скорост, ако акустичното поле се наруши.

За момента тези рискове са ограничени до лабораторни условия и не представляват заплаха за широката общественост, но бъдещото развитие на технологията ще изисква строги мерки за безопасност.

Реални експерименти и резултати

Акустичната левитация е обект на множество експерименти през последните десетилетия, като технологията еволюира от основни демонстрации до по-сложни приложения. Ето някои ключови експерименти и техните резултати:

• - 2013 г., Швейцарски технологичен институт в Цюрих: Инженери демонстрираха акустична левитация, при която не само задържаха обекти във въздуха, но и ги преместваха. Левитираха малки обекти като четка за зъби, водни капки и гранули от кафе, както и смесиха химикали във въздуха. Това показа, че технологията може да се използва за прецизно манипулиране на обекти, което е полезно за химични реакции.
• - 2015 г., Великобритания и Испания: Учени разработиха система с 64 микроговорителя, генериращи ултразвукови вълни с честота 40 kHz. Системата успя да левитира и премести полистиреново топче с диаметър 4 мм, създавайки триизмерна „акустична възглавница“. Това беше първата стъпка към потенциални медицински приложения, като извличане на бъбречни камъни.
• - 2016 г., Университет на Сао Пауло и Университет Хериът-Уат, Единбург: Изследователи, включително Марко Андраде и Хулио Адамовски, постигнаха пробив, като левитираха 5-сантиметрова полистиренова сфера – обект, по-голям от дължината на звуковата вълна. Това беше първият случай, в който обект надхвърля традиционното ограничение от една четвърт от дължината на вълната, като сферата беше задържана на височина около 7 мм.
• - 2018 г., Университет на Бристол: Инженери използваха най-мощния акустичен лъч по това време, за да левитират обект с диаметър 2 см – над два пъти по-голям от дължината на вълната. Това показа, че с повече мощност могат да се задържат по-големи обекти, макар че левитацията на хора все още е смятана за невъзможна с текущите технологии.
• - 2021 г., Япония: Инженери от Токийския университет разработиха метод за повдигане на обекти от отразителни повърхности, като използваха решетка от преобразуватели за по-лесен контрол на акустичното поле. Те успяха да манипулират малки обекти като водни капки и радиокомпоненти в триизмерно пространство, което отвори врати за приложения в биомедицината и нанотехнологиите.

Теории и исторически контекст

Има теории, че акустичната левитация може да е била използвана в древността за строежа на мегалитни структури като пирамидите в Египет. Арабският историк от X век Абу'л Хасан Ал Масуди описва метод, при който камъни се повдигали чрез удряне с метален прът, докато под тях имало „магически папируси“. Също така, през 1939 г. шведският доктор Джарл твърди, че е видял тибетски монаси да използват звукови вълни за повдигане на камъни, макар тези разкази да не са научно потвърдени и да се считат за легенди.

Заключение

Акустичната левитация е обещаваща технология с потенциал да революционизира области като медицината, фармацевтиката и материалознанието. Експериментите показват, че тя може да манипулира обекти с нарастваща прецизност и размер, но все още е далеч от повдигане на тежки предмети или хора. Опасностите са минимални при контролирани условия, но изискват внимателно управление при по-мощни системи. Докато древните теории остават недоказани, съвременните постижения продължават да разширяват границите на това, което е възможно с тази технология.
---
dLambow - "samou4itel1" ... - Ако знаете повече - добавете го в коментарите, а за още позитивни, полезни и съдържателни публикации следете всеки ден сайта и ФБ-страницата ни.