Η χρήση του ήχου για την αιώρηση αντικειμένων είναι γνωστή εδώ και χρόνια και λειτουργεί εξαιρετικά όταν πρόκειται για ένα μόνο σωματίδιο. Όμως, όταν περισσότερα σωματίδια επιχειρούν να αιωρηθούν ταυτόχρονα, καταρρέουν και ενώνονται σε ένα συσσωμάτωμα στον αέρα.
Φυσικοί στο Institute of Science and Technology Austria (ISTA) κατάφεραν πλέον να ξεπεράσουν αυτό το θεμελιώδες εμπόδιο, προσθέτοντας ηλεκτρικό φορτίο στην εξίσωση. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύτηκαν στο Proceedings of the National Academy of Sciences και ανοίγουν νέους δρόμους στη μηχανική υλικών, τη ρομποτική και τη μικρομηχανική.
Η αρχή της ακουστικής αιώρησης
Ο Scott Waitukaitis, σήμερα επίκουρος καθηγητής στο ISTA, άρχισε να ενδιαφέρεται για την ακουστική αιώρηση το 2013. Τότε, ελάχιστες ερευνητικές ομάδες χρησιμοποιούσαν τη συγκεκριμένη τεχνική.
«Ενώ η ακουστική αιώρηση χρησιμοποιείτο σε ακουστικά ολογράμματα και τρισδιάστατες απεικονίσεις, είχα την αίσθηση ότι μπορούσε να αξιοποιηθεί για πολύ πιο θεμελιώδη πειράματα», εξηγεί.
Αφού ίδρυσε την ερευνητική του ομάδα στο ISTA, ξεκίνησε να αναπτύσσει πειράματα ελέγχου της ύλης μέσω ηχητικών κυμάτων.
Το πρόβλημα της «ακουστικής κατάρρευσης»
Ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια της ακουστικής αιώρησης είναι το φαινόμενο που οι επιστήμονες αποκαλούν «acoustic collapse». Όταν αιωρούνται πολλά σωματίδια, τα ηχητικά κύματα που σκεδάζονται πάνω τους δημιουργούν ελκτικές δυνάμεις, με αποτέλεσμα τα σωματίδια να ενώνονται μεταξύ τους στον αέρα.
Αρχικά, η ομάδα προσπαθούσε να διαχωρίσει τα αιωρούμενα σωματίδια ώστε να σχηματίζουν «κρυστάλλους», δηλαδή επαναλαμβανόμενα γεωμετρικά μοτίβα. Όπως εξηγεί η Sue Shi, υποψήφια διδάκτορας και πρώτη συγγραφέας της μελέτης, η λύση τελικά αποδείχθηκε ακόμη πιο σημαντική: η προσθήκη ηλεκτροστατικής άπωσης.
Ο συνδυασμός ήχου και ηλεκτρικού φορτίου
«Αντισταθμίζοντας τις ηχητικές δυνάμεις με ηλεκτροστατική άπωση, μπορούμε να κρατήσουμε τα σωματίδια χωριστά μεταξύ τους», αναφέρει η Shi. Μετά τη φόρτιση των σωματιδίων, οι επιστήμονες κατάφεραν να ρυθμίζουν τη συμπεριφορά τους, δημιουργώντας διατάξεις πλήρως διαχωρισμένες, πλήρως κατεστραμμένες, αλλά και υβριδικές καταστάσεις.
Επιπλέον, με τη χρήση μιας φορτισμένης κάτω ανακλαστικής πλάκας, μπορούσαν να «αναπηδούν» τα σωματίδια και να εναλλάσσουν τις διαφορετικές διαμορφώσεις. Με τη βοήθεια προσομοιώσεων, επιβεβαιώθηκε ότι οι παρατηρούμενες καταστάσεις προκύπτουν από την ισορροπία μεταξύ ηχητικών δυνάμεων και ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων.
Φαινόμενα που «παραβιάζουν» τον Νεύτωνα
Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, εμφανίστηκαν και απρόσμενα φαινόμενα. Ορισμένες διατάξεις σωματιδίων άρχισαν να περιστρέφονται αυθόρμητα ή να «κυνηγούν» το ένα το άλλο, υποδηλώνοντας την παρουσία μη αμοιβαίων αλληλεπιδράσεων, που φαίνεται να «παραβιάζουν» τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα.
Στην πραγματικότητα, η ορμή που αποκτούν τα σωματίδια χάνεται στα ηχητικά κύματα, άρα ο νόμος δεν καταρρίπτεται. Ωστόσο, τέτοια φαινόμενα δεν μπορούσαν να παρατηρηθούν μέχρι σήμερα, ακριβώς επειδή τα σωματίδια κατέρρεαν σε ένα σύμπλεγμα.
«Δεν μπορείς να μελετήσεις τις αλληλεπιδράσεις μεμονωμένων σωματιδίων όταν δεν μπορείς να τα κρατήσεις χωριστά», επισημαίνει ο Waitukaitis.
Νέες εφαρμογές για το μέλλον
Η νέα αυτή μέθοδος ανοίγει τον δρόμο για τον έλεγχο της ύλης στον αέρα με πρωτοφανή ακρίβεια, με εφαρμογές στη μικρορομποτική, τα έξυπνα υλικά, τα δυναμικά συστήματα συναρμολόγησης και τη νανοτεχνολογία. Ήδη, η ομάδα χρησιμοποιεί τη μέθοδο για να μελετήσει τις περίπλοκες μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις.
Όπως σημειώνει η Sue Shi, «στην αρχή ήταν απογοητευτικό να βλέπω αυτές τις υβριδικές διατάξεις και τις περίεργες περιστροφές, γιατί δεν μου επέτρεπαν να δημιουργήσω τους “καθαρούς” κρυστάλλους που ήθελα. Τελικά, όμως, αποδείχθηκαν το πιο συναρπαστικό κομμάτι της έρευνας».
Περισσότερες πληροφορίες: Sue Shi et al, Ηλεκτροστατική υπερνίκηση της ακουστικής κατάρρευσης για τη συναρμολόγηση, προσαρμογή και ενεργοποίηση αιωρούμενης ύλης, Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (2025). DOI: 10.1073/pnas.2516865122
Πληροφορίες περιοδικού: Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών
Παρέχεται από το Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Αυστρίας