Levitasi akustik. Para ilmuwan berhasil melakukan keajaiban

Siapa yang tidak pernah bermimpi melawan gravitasi dan membuat benda melayang di atas tanah? Sebuah tim fisikawan Austria kini telah mengatasi keterbatasan mendasar dalam levitasi akustik, “melanggar” salah satu hukum Newton, dan menggunakan suara untuk membuat banyak objek “melayang” di udara.

Menggunakan suara untuk membuat benda melayang biasanya berhasil dengan baik saat melayang hanya sebuah partikeltapi ketika beberapa orang memasuki tempat kejadian, mereka akhirnya roboh dan membentuk cluster di udara.

Sebuah tim fisikawan dari Institut Sains dan Teknologi Austria (ISTA) kini telah menemukan cara untuk mencegahnya, dengan menggunakan muatan listrik.

Hasil penelitian mereka, disajikan dalam artikel yang diterbitkan minggu lalu di jurnal tersebut PNASmungkin ada aplikasi di dalamnya ilmu materialrobotika dan teknik mikro.

Pada tahun 2013, Scott Waitukaitisyang saat ini menjadi asisten profesor di ISTA, menjadi tertarik dengan penggunaan levitasi akustik sebagai alat untuk mempelajari berbagai fenomena fisika. Pada saat itu, hanya segelintir kelompok penelitian yang menggunakan teknik ini untuk tujuan serupa.

“Meskipun levitasi akustik digunakan dalam hologram akustik dan pada tampilan volumetrik, pendekatannya sangat berorientasi pada aplikasi. Saya merasa bahwa tekniknya dapat melayani tujuan yang jauh lebih mendasar”, kenang Waitukaitis dalam a penyataan ke SAMA.

Setelah membentuk kelompok penelitiannya di ISTA, Waitukaitis mulai membuat beberapa eksperimen berdasarkan dalam mengendalikan materi melalui suara.

Mengatasi “gangguan akustik”

Salah satu aspek yang menarik dari levitasi akustik adalah metode ini bekerja dengan baik ketika hanya satu partikel yang melayang. Namun, jika beberapa partikel dimasukkan, mereka tiba-tiba menyatu seperti magnet di udara.

Dia “keruntuhan akustik” Hal ini terjadi karena dispersi suara dalam partikel menciptakan gaya tarik menarik di antara mereka. Ini adalah batasan utama dari teknik ini.

“Awalnya, kami mencoba menemukan cara untuk memisahkan partikel yang melayang untuk membentuk kristal — pola berulang yang spesifik”, jelasnya Sue Shimahasiswa doktoral di kelompok Waitukaitis dan penulis pertama studi ini.

Baru kemudian mereka menyadarinya memecahkan masalah keruntuhanmenjaga partikel tetap terpisah, bahkan lebih penting.

Kuncinya ada di dalam tambahkan kekuatan lain yang melawan keruntuhan; dan kemudian lihatlah muatan listrik dan tolakan elektrostatik ikut berperan. “Dengan menyeimbangkan suara dengan tolakan elektrostatis, kami dapat menjauhkan partikel satu sama lain,” Shi merangkum.

Setelah mengembangkan metode untuk mengisi daya partikel, tim menemukan hal itu Saya bisa menyesuaikan beban ini untuk melayangkannya dalam berbagai konfigurasi – termasuk sistem di mana semua partikel tetap terpisah, sistem lain di mana mereka benar-benar hancur, dan bahkan “hibrida”, dengan komponen-komponennya terpisah dan runtuh.

Para ilmuwan juga berhasil membuat partikel “memantul” pada pelat reflektor bawah perangkat levitasi yang dimuat, sehingga beralih di antara konfigurasi yang berbeda.

Bekerja sama dengan Carl Goodrichasisten profesor di ISTA, dan bersama mahasiswa doktoral Maximilian Huebl, tim mengembangkan simulasi untuk menjelaskan semua konfigurasi yang diamati, berdasarkan keseimbangan antara gaya hamburan suara dan gaya elektrostatis.

“Melanggar” hukum Newton

Seperti yang sering terjadi dalam sains, beberapa fenomena tidak diprediksi oleh timternyata lebih menarik. Beberapa perilaku kompleks yang diamati menunjukkan adanya interaksi “non-timbal balik”. — situasi yang tampaknya “melanggar” hukum ke-3 Newton.

Di antara kasus yang paling mencolok adalah susunan partikel tertentu yang mulai terbentuk berputar secara spontan, atau pasangan partikel yang seolah-olah saling berkejaran.

Sesungguhnya, Hukum ketiga Newton tidak dilanggar — jumlah gerak ekstra yang diperoleh partikel hilang oleh suara.

Pekerjaan teoretis sebelumnya telah memperkirakan bahwa efek jenis ini seharusnya ada dalam sistem levitasi akustik, namun belum diamatijustru karena partikel-partikel tersebut selalu terpecah menjadi satu kelompok.

“Anda tidak dapat mempelajari bagaimana partikel individu berinteraksi jika Anda tidak bisa tetap terpisah“, Waitukaitis menggarisbawahi. “Dengan memperkenalkan tolakan elektrostatik, kami sekarang dapat mempertahankan struktur yang stabil dan terpisah dengan baik. Hal ini pada akhirnya memberi kita platform yang dapat dikontrolSaya ingin menyelidiki dampak-dampak halus dan tidak timbal balik ini.”

Metode yang dikembangkan oleh tim membuka kemungkinan baru untuk memanipulasi materi di udara, dengan potensi yang besar aplikasi dalam ilmu materialmikro-robotika dan lainnya daerah yang bergantung pada pembentukan struktur terkendali dan dinamika dari blok bangunan kecil.

Tim tersebut sudah menggunakan pendekatan ini untuk mempelajari dampak non-timbal balik yang kini dapat mereka akses.

“Pada awalnya itu membuat frustrasi melihat konfigurasi hibrid serta rotasi dan dinamika yang aneh — menghalangi saya mendapatkan struktur kristal bersih dan stabil yang saya cari,” Shi mengakui.

Namun mempresentasikan hasilnya di konferensi dan melihat antusiasme ilmuwan lain membantunya melihat fenomena ini sebagai hal yang menarik. “Itulah bagian yang aneh dari eksperimen: banyak penemuan paling menarik justru berasal dari hal-hal yang tidak berjalan sesuai rencana”.

Sains terkadang bahkan memiliki a sentuhan sihir.