Ny metode bruger varmestrøm til at svæve forskellige objekter

Selvom forskere har været i stand til at svæve bestemte typer materialer, et par fysikstuderende i UChicago var med til at tage videnskaben til et nyt niveau.

Tredje års Frankie Fung og fjerdeårige Mykhaylo Usatyuk ledede et team af UChicago-forskere, der demonstrerede, hvordan man svæver forskellige genstande-keramiske og polyethylensfærer, glasbobler, ispartikler, fnugtråde og tidselfrø - mellem en varm tallerken og en kold tallerken i et vakuumkammer.

"De lavede masser af spændende observationer, der blæste i mit sind, "sagde Cheng Chin, professor i fysik, hvis ultrakølede laboratorium i Gordon Center for Integrativ Videnskab var hjemsted for eksperimenterne.

I deres arbejde, forskere opnåede en række levitationsgennembrud, hvad angår varighed, orientering og metode:Leviteringen varede i mere end en time, i modsætning til et par minutter; stabilitet blev opnået radialt og vertikalt, i modsætning til bare lodret; og den brugte en temperaturgradient frem for lys eller et magnetfelt. Deres fund dukkede op 20. januar Anvendt fysik bogstaver .

"Magnetisk levitation virker kun på magnetiske partikler, og optisk levitation virker kun på objekter, der kan polariseres af lys, men med vores første metode af sin art, vi demonstrerer en metode til at svæve generiske objekter, "sagde Chin.

I forsøget, den nederste kobberplade blev holdt ved stuetemperatur, mens en cylinder i rustfrit stål fyldt med flydende nitrogen holdt ved negative 300 grader Fahrenheit tjente som den øverste plade. Den opadgående varmestrøm fra den varme til den kolde plade holdt partiklerne suspenderet på ubestemt tid.

"Den store temperaturgradient fører til en kraft, der balancerer tyngdekraften og resulterer i stabil levitation, "sagde Fung, undersøgelsens hovedforfatter. "Det lykkedes os at kvantificere den termoforetiske kraft og fandt rimelig overensstemmelse med det, der forudsiges af teorien. Dette vil give os mulighed for at undersøge mulighederne for at svæve forskellige typer objekter." (Termoforese refererer til bevægelse af partikler ved hjælp af en temperaturgradient.)

"Vores øgede forståelse af den termoforetiske kraft vil hjælpe os med at undersøge interaktionerne og bindingsaffiniteterne mellem partiklerne, vi observerede, "sagde Usatyuk, en medforfatter af undersøgelsen. "Vi er begejstrede for de fremtidige forskningsretninger, vi kan følge med vores system."

Nøglen til at opnå høj levitationsstabilitet er de to pladers geometriske design. Et korrekt forhold mellem deres størrelser og lodret afstand gør det muligt for den varme luft at strømme rundt og effektivt fange de svævede genstande, når de driver væk fra midten. En anden følsomhedsfaktor er, at den termiske gradient skal pege opad - selv en forkert justering af en grad vil reducere svævningsstabiliteten i høj grad.

"Kun inden for et snævert trykområde, temperaturgradient og pladegeometriske faktorer kan vi nå stabil og lang levitation, "Chin sagde." Forskellige partikler kræver også finjustering af parametrene. "

Apparatet tilbyder en ny jordbaseret platform til at undersøge dynamikken i astrofysisk, kemiske og biologiske systemer i et mikrogravitationsmiljø, ifølge forskerne.

Levitation af makroskopiske partikler i et vakuum er af særlig interesse på grund af dets brede anvendelser i rummet, atmosfærisk og astrokemisk forskning. Og termoforese er blevet brugt i termiske aerosoludfældere, atomreaktorsikkerhed og fremstilling af optiske fibre gennem vakuumaflejringsprocesser, som anvender progressive lag af atomer eller molekyler under fremstilling.

Den nye metode er vigtig, fordi den tilbyder en ny tilgang til at manipulere små objekter uden at komme i kontakt med eller forurene dem, sagde Thomas Witten, Homer J. Livingston professor emeritus i fysik. "Det giver nye muligheder for massemontage af bittesmå dele til mikroelektromekaniske systemer, for eksempel, og at måle små kræfter inden for sådanne systemer.

"Også, det tvinger os til at undersøge igen, hvordan 'drevne gasser, 'såsom gasser drevet af varmestrøm, kan afvige fra almindelige gasser, "tilføjede han." Drevne gasser holder løfte om at skabe nye former for interaktion mellem suspenderede partikler. "

Levitation af materialer i jordbaserede eksperimenter giver en ideel platform til undersøgelse af partikeldynamik og interaktioner i et uberørt isoleret miljø, afsluttede papiret. Chins laboratorium ser nu på, hvordan man kan svæve makroskopiske stoffer større end en centimeter i størrelse, samt hvordan disse objekter interagerer eller aggregerer i et vægtløst miljø. "Der er rigelig forskningsmuligheder, som vores talentfulde bachelorstuderende kan bidrage til, "Sagde Chin.