چگونه فیزیک‌دانان بزرگ‌ترین نقصِ شناوری صوتی را حل کردند

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، برای دهه‌ها، صدا می‌توانست اجسام را برخلاف جاذبه معلق نگه دارد، اما قادر نبود بیش از یک جسم را هم‌زمان کنترل کند. اکنون یک نیروی سادهٔ افزوده‌شده، همه‌چیز را تغییر داده است.

صدا انرژی‌ای است که از طریق ارتعاشاتی که در ماده حرکت می‌کنند منتقل می‌شود. ما صدا را می‌شنویم، نه اینکه انتظار داشته باشیم بتواند اجسام فیزیکی را بلند کند، نگه دارد یا با دقت کنترل کند.

با این حال، دانشمندان دهه‌هاست که دقیقاً همین کار را انجام می‌دهند.

با شکل‌دهی دقیق به امواج صوتی شدید، پژوهشگران یاد گرفته‌اند چگونه قطرات، ذرات و اجسام جامد کوچک را در هوا معلق نگه دارند. این روش که «شناوری آکوستیکی» یا «شناوری صوتی» نام دارد، از صدای فرکانس‌بالا برای خنثی کردن نیروی جاذبه و نگه داشتن ماده بدون تماس فیزیکی استفاده می‌کند.

نشانه‌های اولیهٔ شناوری صوتی به قرن نوزدهم بازمی‌گردد؛ زمانی که آزمایش‌هایی مانند لولهٔ کوندت نشان دادند امواج صوتی می‌توانند ذرات را در نقاط مشخصی از فضا به دام بیندازند، هرچند هدف اصلی این آزمایش‌ها صرفاً اندازه‌گیری سرعت صوت بود.

در آن زمان، دانشمندان متوجه نشدند که به‌طور اتفاقی راهی برای معلق کردن ماده یافته‌اند. اهمیت این پدیده در دههٔ ۱۹۳۰ آشکار شد، زمانی که قطرات مایع برای نخستین بار با استفاده از امواج فراصوت معلق شدند.

شناوری آکوستیکی چیست؟

شناوری آکوستیکی، که با نام شناوری صوتی نیز شناخته می‌شود، روشی برای معلق نگه داشتن ماده در هوا برخلاف جاذبه و بدون تماس فیزیکی است. این کار با استفاده از فشار تابشی آکوستیکی ناشی از امواج صوتی پرقدرت، معمولاً در محدودهٔ فراصوت، انجام می‌شود.

صدا یک موج مکانیکی است که در محیط‌هایی مانند گاز، مایع یا جامد منتشر می‌شود و با به نوسان درآوردن ذرات، انرژی را از میان ماده منتقل می‌کند. وقتی این امواج به اندازهٔ کافی قوی باشند، نیروی قابل‌اندازه‌گیری‌ای بر ماده وارد می‌کنند که «فشار تابشی آکوستیکی» نام دارد.

در عمل، یک مبدل امواج فراصوتی تولید می‌کند که در هوا حرکت کرده و سپس به سمت منبع بازتاب می‌شوند. برهم‌کنش میان امواج رفت و برگشتی، یک موج ایستاده ایجاد می‌کند که شامل نواحی متناوب فشار زیاد و فشار کم است؛ این نواحی به‌ترتیب «پادگره» و «گره» نامیده می‌شوند.

اجسام کوچک قرارگرفته در این میدان، به‌طور طبیعی به سمت گره‌های کم‌فشار حرکت می‌کنند؛ جایی که نیروی رو‌به‌بالای صوتی می‌تواند با جاذبه زمین تعادل برقرار کند. تا زمانی که این تعادل حفظ شود، اجسام در هوا معلق باقی می‌مانند.

مشکل به‌هم‌چسبیدن

از آنجا که فشار تابشی آکوستیکی به صدا وابسته است، نه به مغناطیس یا نور، این روش را می‌توان برای طیف گسترده‌ای از مواد به کار برد؛ از مایعات و پودرها گرفته تا بافت‌های زیستی و حتی اجسام جامدِ شکننده.

اما همان برهم‌کنش‌های موجی که امکان شناوری را فراهم می‌کنند، نیروهای ثانویه‌ای نیز میان اجسام مجاور ایجاد می‌کنند. این نیروها باعث می‌شوند چندین ذره به سمت یکدیگر حرکت کرده و به هم بچسبند. این نیروهای جاذبه که خودِ میدان صوتی آن‌ها را ایجاد می‌کند، تاکنون کنترل دقیق بیش از یک ذره را بسیار دشوار کرده بود.

اکنون رویکردی نوآورانه از سوی فیزیک‌دانان مؤسسهٔ علم و فناوری اتریش (ISTA) این مانع را با افزودن بار الکتریکی به اجسام معلق برطرف کرده است.

افزودن بار الکتریکی باعث ایجاد دافعهٔ الکترواستاتیکی می‌شود؛ نیرویی بنیادی که طبق قانون کولن، مانع از چسبیدن اجسام یا ذراتی با بار هم‌نام (هر دو مثبت یا هر دو منفی) به یکدیگر می‌شود.

در نتیجه، کنترل پایدار چند جسم به‌طور هم‌زمان امکان‌پذیر می‌شود. به این ترتیب، چندین جسم می‌توانند به‌طور جداگانه در یک میدان صوتی واحد شناور بمانند و این موضوع راه را برای آزمایش‌ها و کاربردهای پیچیده‌تر و بدون تماس فیزیکی باز می‌کند.

سو شی، دانشجوی دکتری و نویسندهٔ اول این پژوهش، می‌گوید: با خنثی کردن اثر صدا از طریق دافعهٔ الکترواستاتیکی، می‌توانیم ذرات را از یکدیگر جدا نگه داریم.»

افزودن بار به صدا

تیم ISTA در ابتدا تلاش می‌کرد ذرات معلق را از هم جدا کند تا آن‌ها الگوهای بلوری یا آرایش‌های تکرارشوندهٔ مشخصی تشکیل دهند. اما در این مسیر متوجه شدند که یک چالش بنیادی‌تر وجود دارد.

پدیده‌ای که «فروپاشی آکوستیکی» نام دارد، باعث می‌شود ذرات در هوا ناگهان به هم جذب شوند، زیرا نیروهای القاشده توسط صدا آن‌ها را به سوی یکدیگر می‌کشند. برای غلبه بر این مشکل، پژوهشگران بار الکتریکی را وارد سامانه کردند.

با تنظیم دقیق مقدار بار، تیم دریافت که می‌تواند رفتار ذرات را در میدان صوتی کنترل کند. بسته به تعادل میان نیروهای صوتی و الکترواستاتیکی، ذرات می‌توانستند کاملاً جدا بمانند، به صورت خوشه‌ای فرو بریزند، یا آرایش‌های ترکیبی از هر دو حالت را تشکیل دهند.

فیزیک‌دانان همچنین توانستند با برخورد دادن ذرات به صفحهٔ بازتابندهٔ باردارِ پایینی دستگاه شناوری، میان این آرایش‌های مختلف جابه‌جا شوند. این سطح جدید از کنترل، رفتارهایی را آشکار کرد که پیش‌تر مشاهده نشده بودند.

برخی آرایش‌ها به‌طور خودبه‌خودی شروع به چرخش کردند و برخی دیگر حرکات تعقیبی یا حلقه‌ای از خود نشان دادند. این پویایی‌ها به برهم‌کنش‌های «غیرمتقابل» اشاره داشتند؛ اثراتی که در نگاه اول به نظر می‌رسید قانون سوم نیوتن را نقض می‌کنند.

البته قانون سوم نیوتن نقض نشده بود؛ تکانهٔ گمشده توسط خودِ میدان صوتی حمل می‌شد. اسکات وایتوکایتس، استاد یار ISTA، توضیح داد: با معرفی دافعهٔ الکترواستاتیکی، اکنون می‌توانیم ساختارهای پایدار و کاملاً جدا از هم را حفظ کنیم.»

غلبه بر فروپاشی آکوستیکی

در طول سال‌ها، شناوری آکوستیکی در حوزه‌های گوناگونی به کار گرفته شده است؛ از تحلیل مواد حساس و پژوهش‌های دارویی گرفته تا علم مواد و مونتاژ در مقیاس میکرو، جایی که برای ساخت ساختارهای پیچیده و ریزتراشه‌ها استفاده می‌شود.

پژوهش‌هایی در کالج دانشگاهی لندن نشان داده‌اند که این فناوری حتی می‌تواند واقعیت مجازی و چاپ سه‌بعدی را متحول کند. این تیم اشیای مختلفی مانند دانه‌های پلی‌استایرن، آب و پارچه را به حالت معلق درآورد.

با معلق‌سازی و دست‌کاری اشیا در محیط‌های واقعی، این فناوری می‌تواند نمایشگرهای سه‌بعدی تعاملی بدون نیاز به هدست ایجاد کند و شکل‌های جدیدی از چاپ سه‌بعدی را ممکن سازد که فراتر از روش‌های لایه‌به‌لایه و تک‌ماده‌ای امروزی هستند.

علاوه بر این، دانشمندانی از دانشگاه بث و دانشگاه شیکاگو ذراتی را معلق کردند تا مشاهده کنند مواد چگونه زمانی که روی سطحی سخت و صاف قرار ندارند، به هم خوشه‌بندی می‌شوند.

آن‌ها می‌گویند این روش، علاوه بر کاربردهایش در رباتیک نرم، می‌تواند به درک بهتر چگونگی آغاز شکل‌گیری سیارات کمک کند. آنتون سوسلوف، استاد فیزیک دانشگاه بث، اشاره می‌کند که امواج فراصوت برای تولید مه ریز در دستگاه‌های بخور و برای پاک‌سازی آلودگی از سطوح سخت استفاده می‌شوند.

درک نحوهٔ کنترل نیروهای فراصوتی اهمیت کلیدی دارد. او می‌گوید: «برای ما دانشمندان، معلق کردن غبار برخلاف جاذبه، علاقه‌ای بنیادی هم دارد: توسعهٔ آزمایش‌های زمینی برای درک این‌که اجرام فضایی مانند سیارات و قمرها چگونه شکل می‌گیرند، زمانی که غبار فضایی شروع به تجمع می‌کند.»

تیم ISTA معتقد است این رویکرد به‌ویژه می‌تواند در میکرو‌رباتیک و سایر حوزه‌هایی که به مونتاژ ساختارهای پویا و کنترل‌شده از اجزای کوچک وابسته‌اند، بسیار مفید باشد.

سو شی در پایان گفت: نکتهٔ جالب آزمایش‌ها همین است؛ اغلب جذاب‌ترین کشفیات از چیزهایی به‌دست می‌آیند که طبق برنامه پیش نمی‌روند.»