Levitación acústica

La levitación acústica es un método para suspender materia en el aire contra la gravedad utilizando la presión de radiación acústica de ondas sonoras de alta intensidad . [1] [2]

Funciona con los mismos principios que las pinzas acústicas al aprovechar las fuerzas de radiación acústica. Sin embargo, las pinzas acústicas son generalmente dispositivos a pequeña escala que operan en un medio fluido y se ven menos afectados por la gravedad, mientras que la levitación acústica se ocupa principalmente de vencer la gravedad. La levitación acústica técnicamente dinámica es una forma de acútoforesis , aunque este término se asocia más comúnmente con pinzas acústicas de pequeña escala. [3]

Por lo general, se utilizan ondas de sonido a frecuencias ultrasónicas [4], por lo que no crean ningún sonido audible para los humanos. Esto se debe principalmente a la alta intensidad del sonido necesaria para contrarrestar la gravedad. Sin embargo, ha habido casos de uso de frecuencias audibles. [5]

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Un levitador acústico de onda estacionaria tipo cuerno Langevin en el Laboratorio Nacional de Argonne

Existen varias técnicas para generar el sonido, pero la más común es el uso de transductores piezoeléctricos que pueden generar de manera eficiente salidas de alta amplitud en las frecuencias deseadas.

La levitación es un método prometedor para el procesamiento sin contenedores de microchips y otros objetos pequeños y delicados en la industria. El procesamiento sin contenedores también puede usarse para aplicaciones que requieren materiales de muy alta pureza o reacciones químicas demasiado rigurosas para ocurrir en un contenedor. Este método es más difícil de controlar que otros, como la levitación electromagnética, pero tiene la ventaja de poder hacer levitar materiales no conductores .

Aunque originalmente estática, la levitación acústica ha progresado desde la levitación inmóvil hasta el control dinámico de objetos flotantes, una habilidad útil en las industrias farmacéutica y electrónica. Esto se realizó por primera vez con un prototipo con una matriz similar a un tablero de ajedrez de emisores acústicos cuadrados que mueven un objeto de un cuadrado a otro bajando lentamente la intensidad del sonido emitido desde un cuadrado mientras aumenta la intensidad del sonido del otro, permitiendo que el objeto viaje. prácticamente "cuesta abajo". [6] Más recientemente, el desarrollo de placas transductoras de matriz en fase ha permitido un control dinámico más arbitrario de múltiples partículas y gotitas a la vez. [7] [8] [9]

Los avances recientes también han hecho que el precio de la tecnología disminuya significativamente. El "TinyLev" es un levitador acústico que puede construirse con componentes listos para usar de bajo costo y ampliamente disponibles, y un solo marco impreso en 3D. [10] [11]

Experimental

Un dibujo del experimento del tubo de Kundt . El movimiento de las partículas debido a las fuerzas de radiación acústica fue la primera demostración de la posibilidad de levitación acústica.

La primera demostración de la posibilidad de la levitación acústica se realizó en los experimentos del tubo de Kundt en 1866. El experimento en una cámara resonante demostró que las partículas pueden ser reunidas en los nodos de una onda estacionaria por las fuerzas de radiación acústica. Sin embargo, el experimento original se realizó con la intención de calcular las longitudes de onda y, por lo tanto, la velocidad del sonido dentro de un gas.

La primera levitación fue demostrada por Bücks y Muller en 1933, quienes levitaron gotas de alcohol entre un cristal de cuarzo y un reflector. [12] El siguiente avance provino de Hilary St Clair, quien estaba interesada en las fuerzas de radiación acústica principalmente para sus aplicaciones en la aglomeración de partículas de polvo para su uso en aplicaciones mineras. [13] [14] Creó el primer dispositivo electromagnético para crear las amplitudes de excitación necesarias para la levitación [15] y luego pasó a levitar objetos más grandes y pesados, incluida una moneda. [13]

Taylor Wang fue el líder de un equipo que hizo un uso significativo de las fuerzas de radiación acústica como mecanismo de contención en gravedad cero, llevando un dispositivo a la misión STS-51-B del transbordador espacial Challenger para investigar el comportamiento de las gotas levitadas en microgravedad. . [16] Se llevaron a cabo más experimentos en 1992 a bordo del Laboratorio de Microgravedad 1 de los Estados Unidos (USML-1), [17] y en 1995 a bordo del USML-2. [18]

El levitador más común desde al menos la década de 1970 [19] hasta 2017 fue el Langevin Horn, [20] que consta de un actuador piezoeléctrico, un transmisor de metal y un reflector. Sin embargo, esto requería un ajuste preciso de la distancia entre el transmisor y el reflector, ya que la distancia entre la fuente y el reflector debía ser un múltiplo exacto de la longitud de onda. Esto es más difícil de lo que parece, ya que la longitud de onda varía con la velocidad del sonido , que varía con factores ambientales como la temperatura y la altitud. Se han realizado estudios importantes con estos dispositivos, incluida la química sin contacto [21] [22] y la levitación de animales pequeños. [23] Varios de estos también se combinaron para crear un movimiento plano continuo al reducir la intensidad del sonido de una fuente y aumentar la de la fuente adyacente, lo que permite que la partícula viaje "cuesta abajo" en el campo de potencial acústico. [6]

Un levitador acústico TinyLev que incluye la electrónica y un diagrama del campo de presión máxima.

Recientemente, se ha vuelto más común una nueva generación de levitadores acústicos que emplean un gran número de pequeños transductores piezoeléctricos individuales. [24] El primero de estos levitadores fue un levitador de onda estacionaria de un solo eje llamado TinyLev. [11] [10] Las diferencias clave con el Langevin Horn fueron el uso de fuentes tanto desde arriba como desde abajo (en lugar de una fuente y un reflector) y el uso de una gran cantidad de pequeños transductores con excitación paralela, en lugar de uno solo. elemento piezoeléctrico. El uso de dos ondas viajeras opuestas, en lugar de una sola fuente y un reflector, significaba que la levitación aún era posible incluso cuando la distancia entre la parte superior e inferior no era un múltiplo preciso de la longitud de onda. Esto condujo a un sistema más robusto que no requiere ningún ajuste antes de la operación. El uso de múltiples fuentes pequeñas se diseñó inicialmente como una medida de ahorro de costos, pero también abrió la puerta a la levitación en fase, que se analiza a continuación. El uso de componentes impresos en 3D para el marco que posiciona y enfoca los transductores y Arduinos como generadores de señal también redujo significativamente el costo mientras aumentaba la accesibilidad, [25] La reducción en el costo fue particularmente importante ya que el objetivo principal de este dispositivo era la democratización de la tecnología. [26]

Este nuevo enfoque también condujo a desarrollos significativos utilizando transductores ultrasónicos Phased Array [8] [7] (a menudo denominados PAT) para la levitación. Los transductores ultrasónicos Phased Array son una colección de altavoces ultrasónicos que se controlan para crear un único campo de sonido deseado. Esto se logra controlando la fase relativa (es decir, el tiempo de retardo) entre cada salida y, a veces, las magnitudes de salida relativas. A diferencia de sus contrapartes en los campos de imágenes o pruebas no destructivas , estas matrices utilizarán una salida continua, en lugar de breves ráfagas de energía. Esto ha permitido la levitación por un solo lado [8] , así como la manipulación de un gran número de partículas simultáneamente. [7]

Otro enfoque que está creciendo en popularidad es el uso de componentes impresos en 3D para aplicar los retrasos de fase necesarios para la levitación, creando un efecto similar a los PAT pero con la ventaja de que pueden tener una resolución espacial más alta que la matriz en fase, lo que permite más campos complejos que se formarán. [27] Estos a veces se denominan Hologramas acústicos, [28] Metasuperficies, [29] Líneas de retardo [30] o Metamateriales. [31] [32] Las diferencias en términos se basan principalmente en el área de donde se originó la técnica de diseño, pero la idea básica detrás de todas las técnicas es esencialmente la misma. También se pueden utilizar junto con PAT para obtener una reconfigurabilidad dinámica y una mayor resolución del campo de sonido. [27] Otra ventaja es la reducción de costes, siendo un ejemplo destacado el rayo tractor ultrasónico de bajo coste [33] para el que se creó un instructables. [34]

Aunque se han desarrollado muchas técnicas nuevas para la manipulación, los cuernos Langevin todavía se utilizan en la investigación. A menudo son los preferidos para la investigación de la dinámica de los objetos levitados debido a la simplicidad de su geometría y la consiguiente facilidad de simulación [35] y control de factores experimentales. [36]

Teórico

Lord Rayleigh desarrolló teorías sobre la fuerza de presión asociada con las ondas sonoras a principios del siglo XX, [37] [38] sin embargo, este trabajo se basó principalmente en las fuerzas teóricas y la energía contenidas en una onda sonora. El primer análisis de partículas fue realizado por LV King en 1934, quien calculó la fuerza sobre partículas incompresibles en un campo acústico. [39] Esto fue seguido por Yosioka y Kawisama, quienes calcularon las fuerzas sobre las partículas comprimibles en ondas acústicas planas. [40] Esto fue seguido por el trabajo de Lev P. Gor'kov que generalizó el campo en el potencial de Gor'kov, [41] la base matemática para la levitación acústica que todavía se usa ampliamente en la actualidad.

El potencial de Gor'kov está limitado por sus supuestos a esferas con un radio significativamente menor que la longitud de onda, [42] se considera que el límite típico es una décima parte de la longitud de onda. [43] [44] Hay más soluciones analíticas disponibles para geometrías simples; sin embargo, para extenderse a objetos más grandes o no esféricos, es común usar métodos numéricos, particularmente el método de elementos finitos [45] [35] o el método de elementos de contorno . [46] [47] [48]

La levitación acústica se puede dividir en cinco categorías diferentes: [1]

  1. Levitación de onda estacionaria: las partículas quedan atrapadas en los nodos de una onda estacionaria , formada por una fuente de sonido y un reflector (en el caso de Langevin Horn) o dos conjuntos de fuentes (en el caso de TinyLev). Esto se basa en que las partículas sean pequeñas en relación con la longitud de onda, típicamente en la región del 10% o menos, y el peso máximo de levitación suele ser del orden de unos pocos miligramos. [1] También vale la pena señalar que si la partícula es demasiado pequeña en relación con la longitud de onda, se comportará de manera diferente y viajará a los antinodos. [49] Normalmente, estos levitadores son de un solo eje, lo que significa que todas las partículas quedan atrapadas a lo largo de un solo eje central del levitador. Sin embargo, con el uso de PAT también pueden ser dinámicos. Esta es la técnica más fuerte para la levitación a una distancia mayor que una longitud de onda debido a la interferencia constructiva de las dos ondas viajeras que la forman. Las fuerzas de la levitación de un solo haz a distancia son 30 veces más débiles que una simple onda estacionaria. [50]
    Un levitador acústico de haz único que utiliza una trampa de vórtice para hacer levitar una partícula de poliestireno expandido aproximadamente el doble del tamaño de la longitud de onda. Los vórtices se alternan rápidamente en dirección para evitar que la partícula gire hasta el punto de inestabilidad. [51] Aquí se utilizan 450 transductores a 40 kHz.
  2. Levitación acústica de campo lejano: los objetos más grandes que la longitud de onda son levitados generando un campo que se adapta al tamaño y la forma del objeto levitado. Esto permite que los objetos más grandes que la longitud de onda leviten a distancias mayores que la longitud de onda de la fuente. Sin embargo, el objeto no debe ser de alta densidad. En los primeros enfoques, se trataba de una simple onda estacionaria vertical para discos [19] o una disposición de tres transductores para estabilizar una esfera. [52] Sin embargo, desarrollos recientes han utilizado un PAT y el método del elemento de frontera para levitar objetos mucho más grandes a distancias mucho más largas. El objeto más pesado que se levanta con esta técnica es una esfera de poliestireno expandido de 30 mm de diámetro con una masa de 0,6 g. [47] Un octaedro de poliestireno expandido con una longitud diagonal de 50 mm y una masa de 0,5 g es el objeto más grande jamás levitado acústicamente por esta técnica utilizando PAT por encima y por debajo del objeto. [47]
  3. Levitación de haz único: Levitación de objetos a una distancia mayor que una sola longitud de onda de las fuentes con acceso solo desde un solo lado. En este caso, la trampa debe estar especialmente diseñada y generalmente toma la forma de una trampa gemela o una trampa de vórtice, aunque también es posible un tercer tipo de trampa llamada trampa de botella. La trampa gemela es la más simple de estas posibilidades, que forma dos "pinzas" de alta presión a cada lado de la partícula. [8] Si se usa el enfoque geométrico, esto se puede usar para construir un rayo tractor con partes comúnmente disponibles. [30] [34] La trampa de vórtice crea un "agujero" de baja presión en el centro. Requiere un campo de fase más complejo pero, a diferencia de la trampa gemela, se puede usar para levantar objetos más grandes que la longitud de onda. [51] En 2019, el objeto más grande jamás levantado por un rayo tractor se hizo en la Universidad de Bristol y se mostró en "The Edge of Science", [53] una producción de BBC Earth para YouTube Originals del presentador Rick Edwards . Era una bola de poliestireno expandido de 19,53 mm de diámetro.
  4. Levitación de campo cercano: un objeto plano grande se coloca muy cerca de la superficie del transductor y actúa como un reflector, lo que le permite levitar sobre una película muy fina de aire. Esta técnica es capaz de levantar varios kilogramos, pero no puede superar los cientos de micrómetros por encima de la superficie. [54] Como tal, a escala humana, parece más una enorme reducción de la fricción que una levitación.
  5. Levitación acústica de campo cercano invertido: bajo ciertas condiciones, la fuerza repulsiva que produce la levitación de campo cercano se invierte y se convierte en una fuerza atractiva. En este caso, el transductor puede apuntar hacia abajo y la configuración levitará, el objeto levitará debajo de él. El objeto levitará a una distancia de decenas de micrómetros y se han levitado objetos en la escala de miligramos. La investigación actual sugiere que ocurre donde el radio equivalente del disco es menor al 38% de la longitud de onda [45].

Estas amplias clasificaciones son una forma única de clasificar los tipos de levitación, pero no son definitivas. Se está trabajando más en la combinación de técnicas para obtener mayores habilidades, como la levitación estable de objetos no simétricos al combinar la levitación de ondas estacionarias con una trampa gemela (típicamente una técnica de levitación de haz único). [50] También hay una cantidad significativa de trabajo para combinar estas técnicas con componentes de desplazamiento de fase impresos en 3D para obtener ventajas como la formación de campos pasivos [28] [30] [31] o una resolución espacial superior. [28] [27] También existe una variación significativa en las técnicas de control. Si bien las PAT son comunes, también se ha demostrado que las placas Chladni se pueden usar como una fuente de onda estacionaria única para manipular objetos levitados cambiando la frecuencia. [55]

Es probable que las principales aplicaciones de la levitación acústica sean científicas e industriales.

Una selección de objetos levitados acústicamente en un TinyLev que incluye sólidos, líquidos, una hormiga y un componente eléctrico. Todo en el rango de tamaño de 2 mm a 6 mm. [11]
(Izquierda) Imágenes de gotitas levitadas acústicamente durante la evaporación del líquido y la formación de partículas. (Derecha) La microtomografía de rayos X brinda información sobre la estructura 3D final de las partículas. [56]

La levitación acústica proporciona un entorno sin contenedores para experimentos de secado de gotas para estudiar la evaporación de líquidos y la formación de partículas. [57] [58] La manipulación sin contacto de gotitas también ha ganado un interés significativo ya que promete química sin contacto a pequeña escala. [20] Existe un interés particular en la mezcla de múltiples gotitas usando PAT para que las reacciones químicas se puedan estudiar de forma aislada de los contenedores. [59] [9] También hay interés en usar la levitación para suspender las gotas de proteína para el uso de imágenes de difracción de rayos X sin contenedores, que atenúan el haz y reducen la calidad de los datos de difracción proporcionados. [60] [61]

También se ha estudiado la levitación de pequeños animales vivos y no se afectó la vitalidad de los animales que normalmente existen en el aire. [23] En el futuro, podría utilizarse como una herramienta para estudiar a los propios animales.

Existe una investigación activa en el campo del ensamblaje sin contacto. Se ha demostrado la levitación de componentes eléctricos de montaje en superficie [11] [45] al igual que el microensamblaje con una combinación de campos acústicos y magnéticos. [62] También existe un interés comercial en la impresión 3D mientras se levita, y Boeing ha presentado una patente sobre el concepto. [63]

La levitación acústica también se ha propuesto como una técnica para crear una pantalla volumétrica , con luz proyectada sobre una partícula, que se mueve a lo largo del camino para crear la imagen más rápido de lo que el ojo puede procesar. Esto ya ha sido posible [64] y se ha combinado con retroalimentación de audio y háptica del mismo PAT. [sesenta y cinco]

Una pantalla volumétrica acústoforética donde una pequeña partícula de poliestireno expandido se mueve rápidamente con luz proyectada sobre ella para producir la imagen de una 'señal de alto'. Esta es una imagen compuesta tomada durante 20 segundos. [66]

  • Pinzas acústicas
  • Levitación óptica
  • Presión de radiación
  • Levitación electrostática
  • Levitación magnética
  • Levitación aerodinámica
  • Flotabilidad

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