Третьекурсник Фрэнки Фанг и четверокурсник Михаил Усатюк возглавили группу исследователей из Чикаго, которые продемонстрировали, как поднимать в воздух различные объекты — керамические и полиэтиленовые сферы, стеклянные пузыри, частицы льда, нити ворса и семена чертополоха — между теплой тарелкой. и холодная плита в вакуумной камере.
«Они сделали множество интригующих наблюдений, которые поразили меня», — сказал Ченг Чин, профессор физики, чья ультрахолодная лаборатория в Центре интегративной науки Гордона была местом проведения экспериментов.
Усатюк и Фунг
В своей работе исследователи совершили ряд прорывов в области левитации с точки зрения продолжительности, ориентации и метода: левитация длилась более часа, а не несколько минут; стабильность была достигнута по радиусу и по вертикали, а не только по вертикали; и он использовал градиент температуры, а не свет или магнитное поле.
Свои выводы появились Ян. 20 в письмах по прикладной физике.
«Магнитная левитация работает только с магнитными частицами, а оптическая левитация работает только с объектами, которые могут быть поляризованы светом, но с помощью нашего первого в своем роде метода мы демонстрируем метод левитации обычных объектов», — сказал Чин.
В эксперименте нижняя медная пластина поддерживалась при комнатной температуре, а цилиндр из нержавеющей стали, заполненный жидким азотом, служил верхней пластиной. Восходящий поток тепла от теплой к холодной пластине удерживал частицы во взвешенном состоянии на неопределенный срок.
«Большой температурный градиент приводит к возникновению силы, которая уравновешивает гравитацию и приводит к устойчивой левитации», — сказал Фунг, ведущий автор исследования. «Нам удалось количественно оценить термофоретическую силу и найти разумное согласие с тем, что предсказывает теория. Это позволит нам изучить возможности левитации различных типов объектов."(Термофорез относится к перемещению частиц посредством температурного градиента.)
«Наше более глубокое понимание термофоретической силы поможет нам изучить взаимодействия и сродство связывания между наблюдаемыми нами частицами», — сказал Усатюк, соавтор исследования. "Мы очень рады направлениям будущих исследований, которым мы сможем следовать с нашей системой."
Ключом к достижению высокой устойчивости при левитации является геометрическая форма двух пластин.
Правильное соотношение их размеров и вертикального расстояния позволяет теплому воздуху обтекать и эффективно захватывать левитирующие объекты, когда они удаляются от центра. Еще одним фактором чувствительности является то, что температурный градиент должен быть направлен вверх — даже смещение на один градус значительно снизит устойчивость левитации.
«Только в узком диапазоне давления, температурного градиента и геометрических факторов плиты мы можем достичь стабильной и продолжительной левитации», — сказал Чин. «Различные частицы также требуют точной настройки параметров."
По словам исследователей, аппарат предлагает новую наземную платформу для исследования динамики астрофизических, химических и биологических систем в условиях микрогравитации.
Левитация макроскопических частиц в вакууме представляет особый интерес в связи с ее широким применением в космических, атмосферных и астрохимических исследованиях. И термофорез использовался в аэрозольных термофильтрах, безопасности ядерных реакторов и производстве оптических волокон с помощью процессов вакуумного осаждения, которые наносят последовательные слои атомов или молекул во время производства.
«Новый метод важен, потому что он предлагает новый подход к манипулированию небольшими объектами без контакта с ними или загрязнения», — сказал Томас Виттен, исследователь Homer J. Ливингстон заслуженный профессор физики. "Он предлагает новые возможности для массовой сборки крошечных деталей для микроэлектромеханических систем, например, и для измерения малых сил внутри таких систем.
«Кроме того, это заставляет нас пересмотреть, чем« ведомые газы », такие как газы, приводимые в движение тепловым потоком, могут отличаться от обычных газов», — добавил он. "Управляемые газы обещают создать новые формы взаимодействия между взвешенными частицами."
В документе сделан вывод, что левитация материалов в наземных экспериментах обеспечивает идеальную платформу для изучения динамики и взаимодействия частиц в первозданной изолированной среде.
Лаборатория Чина сейчас изучает, как левитировать макроскопические вещества размером более сантиметра, а также как эти объекты взаимодействуют или объединяются в невесомой среде. «Есть широкие возможности для исследований, в которые наши талантливые студенты могут внести свой вклад», — сказал Чин.