Magnetisk svævende grafit kan flyttes med laser

(Phys.org) - Magnetisk levitation er blevet påvist for en række forskellige objekter, fra tog til frøer, men indtil videre har ingen udviklet en praktisk maglev-baseret aktuator, der omdanner en ekstern energikilde til bevægelse. Nu i en ny undersøgelse, forskere har for første gang brugt en laser til at styre bevægelsen af ​​en magnetisk svævende grafitskive. Ved at ændre diskens temperatur, laseren kan ændre diskens levitationshøjde og flytte den i en kontrolleret retning, som har potentiale til at blive skaleret op og brugt som et let drevet menneskeligt transportsystem. Laserlys eller sollys kan også få den svævende disk til at rotere med over 200 rpm, hvilket kan føre til en ny type lysenergikonverteringssystem.

Forskerne, Dr. Masayuki Kobayashi og professor Jiro Abe fra Aoyama Gakuin University i Kanagawa, Japan (Abe er også på CREST, Japan Science and Technology Agency i Tokyo), har offentliggjort deres undersøgelse om optisk styring af bevægelsen af ​​maglev grafit i et nyligt nummer af Journal of the American Chemical Society .

"Det vigtigste punkt i dette arbejde er opnåelsen af ​​en bevægelseskontrolteknik i realtid, som kan flytte et magnetisk svævende diamagnetisk materiale uden kontakt for første gang i verden, " fortalte Abe Phys.org . "Fordi denne teknik er meget enkel og grundlæggende, det forventes at gælde for forskellige daglige leveteknikker, såsom transportsystemer og forlystelser, samt fotoaktuatorer og lysenergikonverteringssystemer."

Som forskerne forklarer, magnetisk levitation opstår på grund af et objekts diamagnetisme, som afviser magnetfelter. Selvom alle materialer har en vis diamagnetisme, det er normalt for svagt til at lade dem magnetisk svæve. Magnetisk levitation opstår kun, når et materiales diamagnetiske egenskaber er stærkere end dets ferromagnetiske og paramagnetiske egenskaber (som tiltrækker magnetiske felter). Et af de stærkeste diamagnetiske materialer er grafit.

For at magnetisk svæve, en genstands samlede magnetiske kraft må ikke kun være frastødende, men frastødningen skal også være stærkere end tyngdekraften. Højden, hvor et diamagnetisk materiale svæver, kan styres af to faktorer:det påførte magnetfelt og materialets egne diamagnetiske egenskaber. Levitationspositionen af ​​diamagnetiske materialer er tidligere blevet kontrolleret ved at ændre det påførte magnetfelt, men indtil videre har ingen med succes kontrolleret maglev-bevægelse på den anden måde, ved at ændre materialets diamagnetiske egenskaber med en ekstern stimulus såsom temperatur, lys, eller lyd.

Her, det gjorde forskerne netop ved at bruge en laser til reversibelt at kontrollere temperaturen på en grafitskive, der svæver over en blok af permanente magneter. De viste, at når grafittens temperatur stiger, dens levitationshøjde falder, og omvendt. Forskerne forklarer, at ændringen i temperatur forårsager en ændring i grafittens magnetiske modtagelighed, eller graden, hvormed dens magnetisering reagerer på et påført magnetfelt. På atomplan, laseren øger antallet af termisk exciterede elektroner i grafitten på grund af den fototermiske effekt. Jo flere af disse elektroner, jo svagere grafitens diamagnetiske egenskaber og jo lavere dens levitation højde.

Ud over at kontrollere højden af ​​maglevgrafit, forskerne fandt ud af, at de også kunne få grafitten til at bevæge sig i enhver retning og rotere den ved at ændre stedet for bestråling. Mens laseren var rettet lige ind i midten af ​​grafitskiven, da dens højde blev styret, at rette den mod kanten af ​​skiven ændrer temperaturfordelingen, og dermed magnetisk følsomhedsfordeling, på en sådan måde, at frastødningskraften bliver ubalanceret, og grafitten bevæger sig i samme retning som lysstrålen.

For at rotere den svævende grafitskive, forskerne erstattede de rektangulære prismeformede magneter under disken med en stak cylindrisk-formede magneter, og igen rettede laseren mod diskens kant. Den forvrængede temperaturfordeling får den svævende grafitskive til at rotere, med retning og omdrejningshastighed afhængig af bestrålingsstedet. Rotation forekommer også, når opsætningen udsættes for sollys. Ved at omdanne solenergi til rotationsenergi, disken kan nå en rotationshastighed på mere end 200 rpm, hvilket kunne gøre det nyttigt til applikationer som optisk drevne turbiner.

Forskerne forudser, at evnen til at kontrollere maglev-baseret bevægelse med en laser kan føre til udviklingen af ​​maglev-baserede aktuatorer og fototermiske solenergikonverteringssystemer. Ansøgninger kan omfatte en lavpris, miljøvenligt elproduktionssystem og en ny type lysdrevet transportsystem.

"I dette øjeblik, vi planlægger at udvikle en maglev turbinevinge, der passer til dette system, " sagde Abe. "I dette tilfælde, det forudsiges, at friktion forstyrrer rotationen af ​​maglev-turbinen. Derfor, vi vil gerne udvikle et lysenergiomdannelsessystem med en høj energiomsætningseffektivitet med henvisning til den såkaldte MEMS (Microelectromechanical Systems) teknik.

"Med hensyn til aktuatoren, maglev-grafitten kan formidle alt, der har næsten samme vægt som den svævende grafitskive. Så, hvis skalaudvidelsen af ​​fotoaktuatorsystemet opnås, det er ikke en drøm, at et menneske på maglev -grafitten kan køre selv. "

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra Phys.org.