Geluidsgolven Laat Druppeltjes Dansen In Midair

{h1}

Onderzoekers hebben experimenteel aangetoond hoe ze geluidsgolven kunnen gebruiken om vloeistofdruppeltjes in de lucht op te tillen en te laten draaien, een prestatie met potentiële biologische en farmaceutische toepassingen.

LONDEN - Muziekstoten kunnen je nog niet helemaal van je benen brengen, maar het laten zweven van druppels met geluid kan de eerste stap in die richting zijn. Een team van onderzoekers heeft experimenteel aangetoond hoe vloeibare druppels kunnen worden opgetild en gedraaid, door ze te besturen met hoogfrequente geluidsgolven.

De wetenschappers ontwikkelden een apparaat dat vloeibare druppels "laat dansen", zwevend in de lucht, zonder te ontploffen. De prestatie kan leiden tot potentiële biologische en farmaceutische toepassingen, zoals het bestuderen van chemische reacties in extreme omgevingen zonder ze te verstoren via contact, het verplaatsen van gevaarlijke materialen en het analyseren en testen van nieuwe materialen zonder het risico van besmetting. Het kan ook worden gebruikt in microzwaartekrachtexperimenten op aarde.

Het team beschrijft het apparaat, functionerend op een frequentie van 32,5 kilohertz, in hun krant, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters. De akoestische golven bevinden zich in het ultrasone bereik - te hoog voor het menselijk oor om te horen, maar zeer hard, met een snelheid van ongeveer 160 decibel, waar 120 dB de limiet is voor het menselijk gehoor, zei de studie co-auteur Daniele Foresti, een fysicus bij het Swiss Federal Institute of Technology (ETH) in Zürich, Zwitserland. [Zie video van druppels die in Midair dansen]

Staande golven

Een akoestische of geluidsgolf is een drukgolf en de kracht die deze produceert kan de zwaartekracht overwinnen.

Wanneer een akoestische transducer een geluidsgolf uitzendt en een reflector direct tegenover deze golf terug naar zichzelf reflecteert, staat de resulterende golf bekend als een "staande golf" - één met een reeks stationaire knooppunten die op één plaats blijven zelfs als de golf oscilleert. De kracht op de knooppunten kan de zwaartekracht tegenwerken, waardoor relatief zware objecten met een waterachtige dichtheid op één plaats zweven, net boven het knooppunt. Dergelijke druppel-zwevende experimenten werden al in de jaren zeventig uitgevoerd. [De 6 vreemdste effecten van zwaartekracht verklaard]

Maar Foresti en collega's wilden geen druppeltjes die alleen in de lucht zweefden; ze wilden ze manipuleren en de druppels op een gecontroleerde manier verplaatsen.

"Ons concept is gebaseerd op drie... computergestuurde resonatoren die een akoestische staande golf kunnen creëren en de vorm ervan in een bepaalde ruimte kunnen veranderen," zei Foresti.

De wetenschappers plaatsten de resonatoren in een cirkel, op 120 graden ten opzichte van elkaar. Elke computergestuurde resonator creëert akoestische staande golven met een frequentie van ongeveer 32,5 kHz en naarmate de vormen van de golven veranderen, bewegen de knooppunten langzaam - en de objecten die erboven zweven, bewegen ook. Het geheel creëert een ruimte met gecontroleerde levitatie die lijkt op een schijf van ongeveer 5-6 centimeter (2-2,4 inch) in omtrek, "zei Foresti.

Om te bepalen hoe hoog en op welke manier de druppels vliegen, moet men eenvoudig de amplitude (golfhoogte) van de geluidsgolven aanpassen, zonder de fase of de positie van de golf ten opzichte van de oorsprong te wijzigen. Met andere woorden, gewoon het volume harder zetten. Op deze manier is het mogelijk om een ​​druppel te vangen, een beetje in een ellipsvormige vorm te squishen en hem te laten draaien terwijl hij in lucht hangt, of hem in een gecontroleerde orbitale beweging te drijven zonder hem te vernietigen. (De onderzoekers werken al een tijdje aan zwevende druppels en ze in de lucht verplaatsen, maar het is pas nu dat ze erin geslaagd zijn ze ook op een gecontroleerde manier te laten draaien, zonder ze te laten ploffen.)

"Door de geluidsgolven te moduleren, kunnen we het levitatieveld binnenin" draaien ", zei Foresti. "Het systeem lijkt op een driefasige elektromotor, maar in dit geval variëren we niet de fase van het signaal, alleen de amplitude." (Dergelijke motoren vertrouwen op drie wisselende stromen van dezelfde frequentie die hun piekwaarden bereiken bij een derde van een golfcyclus van elkaar, dus de golven zijn gecompenseerd.)

Momenteel is de rotatiesnelheid te laag en is de frequentie te hoog om het apparaat veel grotere objecten te laten zweven. "We zouden het ultrasone bereik moeten verlaten en binnen het hoorbare bereik moeten komen", zei Foresti.

Potentiële applicaties

De wetenschappers zeggen dat de implicaties van het onderzoek talrijk zijn. "Een contactloze techniek betekent geen contact met het oppervlak, dus geen contaminatie: we hoeven ons geen zorgen te maken dat het monster in contact komt met een specifiek materiaal", aldus Foresti. "Zelfs nylon en teflon hebben aangetoond biologische testen te besmetten."

En geen contact betekent geen wrijving, voegde hij eraan toe. De prestatie zou ook verspild materiaal kunnen verminderen. Vooral op kleine schalen heeft een waterdruppel de neiging om aan een oppervlak te kleven; dat is immers hoe oppervlakken nat worden en hoe water "plakt" aan glas. "Met een contactloze benadering kunnen we de volledige vloeistofmonsters gebruiken zonder ze te verspillen aan de wanden van een container," zei hij.

Ten slotte is geen contact ook gelijk aan vrije toegang: in bio-analytische metingen zoals spectrometrie, de aanwezigheid van een container veroorzaakt ruis bij metingen en is een potentiële bron van fouten. Maar als er geen contact is, is er geen geluid.

Marco Marengo, een professor in thermische engineering aan de Universiteit van Brighton in het Verenigd Koninkrijk, die niet betrokken was bij de studie, zei dat het onderzoek ook zou kunnen leiden tot toepassingen in de biologie en de geneeskunde. "Het is interessant voor genetische manipulatie, omdat het mogelijk is om verschillende DNA-ketens in een enkele druppel in contact te brengen," zei Marengo

Volg ons @wordssidekick, Facebook& Google+. Oorspronkelijk artikel op WordsSideKick.com.Volg de auteur op Twitter @SciTech_Cat.


Video Supplement: .




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com