Die Forscher können Partikel, Flüssigkeitströpfchen und sogar Zahnstocher in der Luft fliegen lassen, indem sie auf Schallwellen reiten. Zum ersten Mal können sie auch ihre Bewegung kontrollieren.
Die Forscher steuern die Bewegung des schwebenden Objekts - hier eines Zahnstochers - durch Variation der Schallwellen mehrerer Partikel-Emitter-Reflektor-Module. Bildnachweis: Daniele Foresti / ETH Zürich
Ein Zahnstocher, der ohne Unterstützung in der Luft schwebt - das mag so klingen, als handele es sich um versteckte Fäden, Magnete oder andere Tricks von Zauberern. Der eigentliche Trick von Daniele Foresti, ehemaliger Doktorand und Postdoktorand am Labor für Thermodynamik in aufstrebenden Technologien, basiert jedoch auf akustischen Wellen.
Trotz des Auftretens von „Magie“ realisierten und kontrollierten er und seine Kollegen die planare Bewegung schwebender Objekte in der Luft, unabhängig von ihren Eigenschaften. Dabei handelte es sich nicht um Zauberei, sondern um Wissenschaft. Dies ist nicht nur ein amüsanter Trick: Durch die freie Bewegung von Objekten wie Partikeln oder Flüssigkeitströpfchen in der Luft können Prozesse untersucht werden, ohne dass der Kontakt mit einer Oberfläche gestört wird. Beispielsweise werden einige chemische Reaktionen und biologische Prozesse durch Oberflächen beeinträchtigt, und bestimmte Substanzen zerfallen beim Kontakt mit einer Oberfläche.
Eine stationäre Welle reiten
Bisher konnten Wissenschaftler einen solchen „berührungslosen“ Schwebezustand nur mit Hilfe von Magneten, elektrischen Feldern oder mit Hilfe von Auftrieb in Flüssigkeiten erzeugen. Diese Methoden schränken jedoch die Auswahl der Materialien ein, die gehandhabt werden können. „Es ist äußerst schwierig, einen Flüssigkeitstropfen mit einem Magneten zu schweben und präzise zu bewegen. Die Flüssigkeit muss magnetische Eigenschaften besitzen. In Flüssigkeiten, in denen Auftriebskraft das Schweben unterstützt, dürfen nur nicht mischbare Flüssigkeiten wie ein Tropfen Öl in Wasser verwendet werden “, erklärt Dimos Poulikakos, Professor für Thermodynamik und Leiter des Forschungsprojekts.
Im Gegensatz dazu ist es mit akustischen Wellen möglich, verschiedene Objekte unabhängig von ihren Eigenschaften zu schweben. Der begrenzende Faktor ist der maximale Durchmesser des Objekts, der der halben Wellenlänge der verwendeten Schallwelle entsprechen muss. Ein Objekt erreicht den stationären Schwebezustand, wenn alle auf es einwirkenden Kräfte im Gleichgewicht sind. Mit anderen Worten, der Schwerkraft, die das Objekt in eine Richtung zieht, wirkt eine ebenso große Kraft in die entgegengesetzte Richtung entgegen. Diese Kraft kommt von der Schallwelle, die die Forscher als stehende Welle zwischen einem Emitter und einem Reflektor erzeugen, der die Schallwellen reflektiert. Die Kraft der Schallwelle drückt gegen das Objekt und verhindert so, dass es aufgrund der Schwerkraft herunterfällt. Es ähnelt konzeptionell dem Luftstrahl eines Lüfters, der einen Ping-Pong-Ball in der Luft hält.
Bildnachweis: Daniele Foresti / ETH Zürich
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Das Wissen, dass Schallwellen eine Kraft - den Schallstrahlungsdruckeffekt - auf ein Objekt ausüben können, um es in Schwebe zu halten, wurde vor mehr als 100 Jahren entdeckt. Bisher war es jedoch niemandem gelungen, die Bewegung von Objekten zu kontrollieren, die auf Schallwellen in der Luft reiten. Foresti hat dieses Ziel erreicht, indem mehrere Emitter-Reflektor-Module parallel nebeneinander geschaltet wurden. Er variierte die Schallwellen von Modul zu Modul, um Partikel oder Flüssigkeitstropfen von einem Modul zum nächsten zu übertragen.
In einem Testlauf verwendete Foresti diese Methode, um ein Granulat löslichen Kaffees auf einen Wassertropfen zu geben und die beiden zu vereinigen. In einem weiteren Versuch mischte er zwei Flüssigkeitstropfen mit unterschiedlichen pH-Werten, einen alkalischen und einen sauren; Das resultierende Tröpfchen enthielt ein fluoreszierendes Pigment, das nur bei einem neutralen pH-Wert leuchtete. In einem Video hielt er fest, wie sich die beiden Tröpfchen vermischen und das Pigment zu leuchten beginnt.
Untersuchung von Prozessen im Schwebezustand
„Diese Methode zum Bewegen von schwebenden Objekten könnte eine Vielzahl von möglichen Anwendungen haben“, sagt Foresti. Der Prozess der kontrollierten Bewegung kann parallel zu mehreren Objekten ablaufen, was ihn für industrielle Anwendungen interessant macht. Beispielsweise erfordern einige biologische und chemische Experimente, dass Partikel oder Tröpfchen des Ausgangsmaterials zunächst verarbeitet und dann analysiert werden. Mit dieser Technik können Forscher Schritt für Schritt winzige Mengen von Substanzen und Flüssigkeiten mischen, ohne dass sich durch den Kontakt mit einer Oberfläche chemische Veränderungen ergeben.
Die Forscher testeten die Methode bereits mit Tröpfchen und Partikeln mit mehreren Millimetern Durchmesser. Die Anregung der Schallwellen muss nach sorgfältiger theoretischer Analyse gewählt werden: Übersteigt die Schallkraft die Oberflächenkraft einer bestimmten Flüssigkeit, wird das Tröpfchen explosionsartig zerstäubt. Die Forscher schwebten erfolgreich Wassertropfen, Kohlenwasserstoffe und verschiedene Lösungsmittel.
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