Dźwięk może utrzymać przedmiot w powietrzu
Silne pole ultradźwiękowe może wywierać na mały obiekt rzeczywistą, średnią w czasie siłę — tzw. siłę promieniowania akustycznego. W odpowiednio ukształtowanej fali stojącej istnieją stabilne położenia, do których cząstki są „spychane” przez pole akustyczne. Jeśli siła skierowana w górę zrównoważy ciężar, obiekt może zawisnąć bez mechanicznego podparcia. To nie jest efekt dmuchania powietrzem jak wentylatorem: wynika z wymiany pędu między falą a obiektem. W laboratoriach lewituje się w ten sposób krople, kulki, a nawet obiekty większe niż długość używanej fali.
Fala przenosi pęd
Dźwięk kojarzymy przede wszystkim z niewielkimi, naprzemiennymi zmianami ciśnienia. Jednak fala akustyczna niesie energię i pęd. Gdy jest odbijana, pochłaniana lub rozpraszana przez obiekt, średni bilans tych oddziaływań może dać niezerową siłę. Nazywa się ją siłą promieniowania akustycznego. Zwykle jest bardzo mała w porównaniu z siłami spotykanymi na co dzień, ale przy intensywnych ultradźwiękach i lekkich obiektach staje się wystarczająco duża, by rywalizować z grawitacją.
Dlaczego pomaga fala stojąca
Klasyczny lewitator tworzy falę stojącą między nadajnikiem ultradźwiękowym a reflektorem lub między kilkoma nadajnikami. W takim polu występują regularnie rozmieszczone węzły i strzałki ciśnienia. Dla wielu małych cząstek gradient siły akustycznej prowadzi do stabilnych położeń w pobliżu określonych węzłów. Gdy cząstka zostanie lekko przesunięta, rozkład pola może wytworzyć siłę przywracającą ją do pułapki. W pionowym układzie odpowiednio duża składowa siły równoważy ciężar i cząstka „zawisa”.
Nie tylko mikroskopijne drobiny
Najprostsza teoria jest szczególnie wygodna dla obiektów dużo mniejszych od długości fali, ale współczesne układy potrafią manipulować również większymi przedmiotami. Badania wykazały stabilną lewitację obiektów większych od długości fali akustycznej. Wymaga to dokładniejszego kształtowania pola, bo rozkład ciśnienia na całej powierzchni obiektu przestaje być prosty. Wieloelementowe matryce ultradźwiękowe pozwalają projektować rozkład siły i momentu, dzięki czemu można nie tylko utrzymywać obiekt, lecz także przesuwać go i obracać bez kontaktu.
Po co lewitować dźwiękiem
Brak kontaktu jest użyteczny wszędzie tam, gdzie dotknięcie próbki mogłoby ją zanieczyścić, zdeformować albo zakłócić pomiar. Lewitacja akustyczna jest badana w chemii, materiałoznawstwie, biologii i automatyzacji małych obiektów. Kropla może być utrzymywana z dala od ścian naczynia, a cząstki mogą być sortowane lub pozycjonowane bez chwytaka. Ograniczeniem pozostaje wielkość dostępnych sił, złożoność pola oraz fakt, że bardzo intensywne ultradźwięki wymagają kontroli bezpieczeństwa i parametrów ekspozycji.
Węzeł fali stojącej może działać jak pułapka
W prostym układzie nadajnik ultradźwięków i reflektor tworzą falę stojącą z regularnie rozmieszczonymi węzłami i strzałkami ciśnienia. Mały obiekt zaburza pole i doświadcza średniej w czasie siły zależnej od gradientu energii akustycznej oraz rozpraszania. Dla odpowiedniej relacji gęstości i ściśliwości może zostać skierowany ku stabilnemu położeniu. Jeśli siła w górę równoważy ciężar, obiekt pozostaje zawieszony. Nie oznacza to jednak, że w samym punkcie pułapki „nie ma dźwięku” — ważne są przestrzenne gradienty całego pola.
Nowoczesne układy nie potrzebują jednego nieruchomego węzła
Macierze wielu przetworników pozwalają kształtować pole fazą każdego emitera. Ognisko lub pułapkę można przesuwać elektronicznie, a kilka obiektów może być sterowanych bez dotykania. Badania pokazują nawet lewitację obiektów o rozmiarach porównywalnych lub większych od długości fali, choć wtedy prosty model małej cząstki przestaje wystarczać. Zastosowania interesują laboratoria zajmujące się próbkami, kroplami i delikatnymi materiałami, bo manipulacja bez kontaktu ogranicza ryzyko zanieczyszczenia mechanicznego.