Пузырьки воздуха в воде сделали акустический манипулятор сильнее

Rahul Goyal et al. / Physical Review Letters, 2022

Немецкие физики показали новый способ акустического манипулирования сантиметровыми предметами, чьи размеры много меньше длины волны. Для этого они использовали вторичное притяжение Бьеркнеса, возникающее между массивами воздушных пузырьков в жидкости. В опыте ученых сила, притягивающая два полимерных диска, достигла величины 0,1 миллиньютон, а точность позиционирования оказалась равна 14 микрометрам. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Развитие акустики позволило приспособить звук для акустической левитации. Так, акустическую левитацию предлагают использовать для биопечати и создания интерфейсов ввода-вывода, а сам акустический пинцет научили управлять одновременно сразу 12 объектами. Подробнее про левитацию с помощью различных физических воздействий читайте в материале «Левитация для маглов».

Акустический пинцет работает по принципу отдачи, которая возникает при рассеянии звука на объекте, помещенном в некоторую среду. Метод, правда, имеет ограничения. Так, объект должен быть меньше, чем длина волны звука (хотя бывают исключения). Длина волны также сказывается на точности позиционирования — чем она меньше, тем точнее. С другой стороны, чем больше частота акустических волн, тем быстрее они затухают в средах, особенно в воде. Это вынуждает физиков при использовании акустического пинцета идти на компромиссы, что в целом сужает область применения это технологии.

Новый взгляд на эту проблему продемонстрировала группа физиков из Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка при участии Пера Фишера (Peer Fischer). Они предложили использовать иной тип сил, которые возникают при вторичном рассеянии акустических волн на двух пузырьках в жидкости (вторичные силы Бьеркнеса). Оказалось, что массивы воздушных пузырьков, нанесенные на два объекта, способны вызвать миллиньютоновое притяжение при облучении звуковыми волнами с длиной волны на несколько порядков превышающей их размеры. Это может найти применение в мягкой робототехнике и микрофлюидике.

Замечательной особенностью вторичной силы Бьеркнеса стало то, что она — центральная для двух одинаковых пузырьков, но при этом убывает как квадрат расстояния. Это делает ее более дальнодействующей, чем взаимодействие двух постоянных магнитных диполей, убывающее по закону четвертой степени. Так, для двух воздушных пузырьков радиусом 150 микрометров в воде, осциллирующих с амплитудой пять микрометров под действием звука с частотой 3,3 килогерца и разделенных расстоянием в один миллиметр, сила притяжения равна 28 наноньютон. Расчеты авторов показали, что из-за своего дальнодействия сила, с которой притягиваются два параллельных двумерных массива пузырьков, сверхлинейно масштабируется с увеличением их числа. Так, для ста рассмотренных пузырьков с каждой стороны суммарная сила притяжения равна 0,1 миллиньютону, что в 13 раз больше, чем простая алгебраическая сумма ста отдельных пар пузырьков.

Чтобы проверить свои расчеты на практике, физики создавали в двух полидиметилсилоксановых (ПДМС) дисках сантиметрового диаметра массивы из 11 × 11 ямок диаметром 300 и глубиной 275 микрометров с шагом в полмиллиметра. При погружении дисков в воду ямочках надежно закреплялись пузырьки воздуха. Один диск ученые жестко фиксировали на дне емкости с водой различной глубины (от 0,5 до 2 миллиметров) пузырьками вверх. Другой диск плавал на поверхности пузырьками вниз. В момент включения звука верхний диск начинал двигаться и останавливался лишь в тот момент, когда достигалось точное соответствие между двумя массивами. Микроскоп позволил определить, что точность позиционирования оказалась равной 14 ± 4 микрометра, что составляет 0,1 процент от размера объектов и 0,003 процента от длины волны (3,3 килогерца имею длину волны в воде, равную 450 миллиметров).

На втором этапе исследования физики изготавливали асимметричные массивы на поверхности ПДМС-дисков. Это приводило к появлению вращающего момента за счет сил Бьеркнеса. В опыте это проявлялось как постоянное вращение одного диска относительно другого. Фактически, исследователи изготовили акустический мотор. Правда, в отличие от обычного двигателя, они не могли управлять направлением вращения, поскольку оно определялось случайным балансом сил, после чего ротор вращался уже по инерции.

Впрочем, акустический мотор можно попытаться сделать другим способом, а именно передавая с помощью звука не только энергию, но и количество вращения. Концепцию устройства, которое могло бы создавать закрученный звук, недавно предложила одна группа физиков.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.