Các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các hạt, giọt chất lỏng và thậm chí cả tăm xỉa răng bay trong không trung bằng cách cho chúng cưỡi trên sóng âm. Lần đầu tiên, họ cũng có thể kiểm soát chuyển động của họ.
Các nhà nghiên cứu kiểm soát chuyển động của vật thể bay lên - ở đây là một cây tăm - bằng cách thay đổi sóng âm của một số mô-đun phản xạ phát hạt. Ảnh tín dụng: Daniele Foresti / ETH Zurich
Một cây tăm lơ lửng giữa không trung mà không có bất kỳ sự hỗ trợ nào - điều này nghe có vẻ như nó liên quan đến các sợi chỉ ẩn, nam châm hoặc các thủ thuật bóng bẩy khác từ các pháp sư. Nhưng thủ thuật thực tế được sử dụng bởi Daniele Foresti, cựu sinh viên tiến sĩ hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Nhiệt động lực học trong Công nghệ mới nổi, dựa trên sóng âm.
Mặc dù có sự xuất hiện của ma thuật Hồi giáo, anh ta và các đồng nghiệp của mình đã nhận ra và điều khiển chuyển động phẳng của các vật thể trôi nổi trong không khí, bất kể thuộc tính của chúng, không liên quan đến phép thuật mà là khoa học. Đây không chỉ đơn giản là một mẹo thú vị: các vật thể chuyển động như các hạt hoặc giọt chất lỏng tự do trong không khí giúp chúng ta có thể điều tra các quá trình trong khi tránh mọi tiếp xúc gây rối với bề mặt. Ví dụ, một số phản ứng hóa học và các quá trình sinh học bị tổn hại bởi các bề mặt và một số chất nhất định tan rã khi tiếp xúc với bề mặt.
Cưỡi sóng
Cho đến thời điểm hiện tại, các nhà khoa học đã có thể tạo ra trạng thái bay không liên lạc trực tiếp như vậy chỉ với sự trợ giúp của nam châm, điện trường hoặc trong chất lỏng với sự trợ giúp của phao. Những phương pháp này, tuy nhiên, giới hạn việc lựa chọn các vật liệu có thể được xử lý. Rất khó để bay lên và di chuyển chính xác một giọt chất lỏng bằng nam châm. Các chất lỏng phải có tính chất từ tính. Trong chất lỏng, nơi lực nổi hỗ trợ bay lên, bạn chỉ có thể sử dụng các chất lỏng bất biến như một giọt dầu trong nước, ông giải thích Dimos Poulikakos, Giáo sư Nhiệt động lực học và người đứng đầu dự án nghiên cứu.
Ngược lại, với sóng âm, có thể bay lên các vật thể khác nhau bất kể tính chất của chúng. Yếu tố giới hạn là đường kính tối đa của vật thể, phải tương ứng với một nửa bước sóng của sóng âm được sử dụng. Một vật đạt đến trạng thái đứng yên khi tất cả các lực tác dụng lên nó ở trạng thái cân bằng. Nói cách khác, lực hấp dẫn kéo vật theo một hướng bị phản tác dụng bởi một lực lớn tương đương theo hướng ngược lại. Lực này đến từ sóng âm, mà các nhà nghiên cứu tạo ra như một sóng đứng giữa một bộ phát và một gương phản xạ dội lại sóng âm. Lực của sóng âm đẩy vào vật thể và do đó ngăn nó rơi xuống do trọng lực. Nó có khái niệm tương tự như máy bay phản lực từ một chiếc quạt giữ một quả bóng bàn trong không khí.
Ảnh tín dụng: Daniele Foresti / ETH Zurich
Làm một giọt cà phê bay
Kiến thức về sóng âm có thể tác dụng một lực - hiệu ứng áp suất bức xạ âm - lên một vật thể để giữ nó ở trạng thái lơ lửng đã được phát hiện cách đây hơn 100 năm. Tuy nhiên, cho đến nay, không ai thành công trong việc điều khiển chuyển động của các vật thể cưỡi trên sóng âm giữa không trung. Foresti đã đạt được mục tiêu này bằng cách chuyển đổi nhiều mô-đun phản xạ phát song song cạnh nhau. Ông đã biến đổi sóng âm từ mô-đun sang mô-đun để chuyển các hạt hoặc giọt chất lỏng từ mô-đun này sang mô-đun tiếp theo.
Trong một lần chạy thử, Foresti đã sử dụng phương pháp này để di chuyển một hạt cà phê hòa tan vào một giọt nước và hợp nhất cả hai. Trong một thí nghiệm tiếp theo, ông đã trộn hai giọt chất lỏng với các giá trị pH khác nhau, một kiềm và một axit khác; giọt kết quả chứa một sắc tố huỳnh quang chỉ phát sáng ở giá trị pH trung tính. Trong một video, anh ấy đã chụp được cách hai giọt nước trộn lẫn và sắc tố bắt đầu phát sáng.
Nghiên cứu các quá trình trong trạng thái bay
Phương pháp di chuyển các đối tượng bay lên có thể có một loạt các ứng dụng khả thi, theo ông Foresti. Quá trình chuyển động có kiểm soát có thể chạy song song với một số đối tượng, làm cho nó trở nên thú vị cho các ứng dụng công nghiệp. Ví dụ, một số thí nghiệm sinh học và hóa học đòi hỏi các hạt hoặc giọt vật liệu nguồn phải được xử lý ban đầu và sau đó phân tích. Với kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu có thể trộn một lượng nhỏ các chất và chất lỏng theo từng bước mà không có bất kỳ thay đổi hóa học nào phát sinh do tiếp xúc với bề mặt.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm phương pháp này với các giọt và hạt có đường kính vài mm. Sự kích thích của sóng âm phải được chọn sau khi phân tích lý thuyết cẩn thận: Nếu lực âm vượt quá lực bề mặt của một chất lỏng nhất định, giọt sẽ bị nổ nguyên tử. Các nhà nghiên cứu đã hút thành công giọt nước, hydrocarbon và các dung môi khác nhau.
Qua ETH Zurich