Звуковые волны, подобно невидимому пинцету, могут использоваться для левитации небольших объектов в воздухе. Хотя наборы для акустической левитации «сделай сам» можно легко найти в Интернете, эта технология имеет важное применение как в научных исследованиях, так и в промышленности, включая манипуляции с хрупкими материалами, такими как биологические клетки.
Исследователи из Сиднейского технологического университета (UTS) и Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) недавно продемонстрировали, что для точного управления частицей с помощью ультразвуковых волн необходимо учитывать как форму частицы, так и то, как она влияет на акустическое поле. Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Звуковая левитация происходит, когда звуковые волны взаимодействуют и образуют стоячую волну с узлами, которые могут «захватить» частицу. В теории акустофореза Горькова, являющейся в настоящее время математической основой акустической левитации, предполагается, что частица, попавшая в ловушку, представляет собой шар.
«Предыдущие теоретические модели учитывали только симметричные частицы. Мы расширили теорию для учета асимметричных частиц, что более применимо к реальному опыту», — говорит ведущий автор работы д-р Шахрох Сепехрирахнама из лаборатории биогенной динамики Центра аудио, акустики и вибраций UTS.
Используя свойство, называемое связью Уиллиса, мы показали, что асимметрия изменяет силу и момент, действующие на объект при левитации, и смещает место «захвата». Это знание может быть использовано для точного управления или сортировки объектов, размер которых меньше длины волны ультразвука», — сказал он.
«В более широком смысле предложенная нами модель, основанная на форме и геометрии, позволит сблизить две развивающиеся области — бесконтактное ультразвуковое манипулирование и метаматериалы (материалы, созданные таким образом, чтобы обладать свойствами, не встречающимися в природе)», — добавил он.
Доцент Себастьян Оберст, руководитель лаборатории биогенной динамики, отметил, что возможность точного управления крошечными объектами без прикосновения к ним может позволить исследователям изучить динамические свойства материалов чувствительных биологических объектов, таких как придатки насекомых, крылья насекомых или муравьев, лапки термитов.
«Мы знаем, что насекомые обладают удивительными способностями: термиты чрезвычайно чувствительны к вибрациям и могут общаться с помощью этого чувства, муравьи могут переносить вес своего тела, во много раз превышающий их вес, и при этом сопротивляться значительным силам, а филигранная структура крыльев медоносной пчелы сочетает в себе прочность и гибкость.
«Лучшее понимание специфической структурной динамики этих природных объектов — того, как они вибрируют или сопротивляются силе — может позволить разработать новые материалы, основанные на вдохновении от природы, для использования в таких отраслях, как строительство, оборона или разработка датчиков».
Исследователи сосредоточились на попытке понять механические свойства органов чувств термитов, чтобы затем создать сверхчувствительные датчики вибрации. Недавно они определили структурные особенности субгенуального органа, расположенного в ноге термита, который способен воспринимать микровибрации.
«В настоящее время очень трудно оценить динамические свойства этих биологических материалов. У нас даже нет инструментов, необходимых для того, чтобы взять их в руки. Прикосновение к ним может нарушить результаты измерений, а использование бесконтактных лазеров может привести к их повреждению», — говорит доцент Оберст.
«Поэтому далеко идущее применение нынешних теоретических исследований заключается в использовании бесконтактного анализа для извлечения новых материальных принципов для разработки новых акустических материалов».
«Willis Coupling-Induced Acoustic Radiation Force and Torque Reversal» Shahrokh Sepehrirahnama, Sebastian Oberst, Yan Kei Chiang and David A. Powell, 17 октября 2022 г., Physical Review Letters . DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.174501
«МСКТ-сканирование с низкой радиоплотностью для выявления детальной морфологии ноги термита и его субгенуального органа» Travers M. Sansom, Sebastian Oberst, Adrian Richter, Joseph C.S. Lai, Mohammad Saadatfar, Manuela Nowotny and Theodore A. Evans, 8 июля 2022 г., Arthropod Stru cture Development . DOI: 10.1016/j.asd.2022.10119
Исследование было профинансировано Австралийским исследовательским советом.
Среди других ученых, принявших участие в этом исследовании, — д-р Дэвид Пауэлл из UNSW и д-р Ян Кей Чианг из UNSW Canberra.
