Levitazione acustica rappresenta una tecnica per sospendere il materiale in un mezzo aereo, contrastando le forze gravitazionali attraverso l'applicazione della pressione di radiazione acustica generata da onde sonore ad alta intensità.
Questo fenomeno funziona su principi analoghi a quelli impiegati dalle pinzette acustiche, sfruttando le forze di radiazione acustica. Tuttavia, le pinzette acustiche funzionano tipicamente come strumenti su piccola scala all’interno di un ambiente fluido, dove gli effetti gravitazionali sono meno pronunciati, mentre la levitazione acustica mira fondamentalmente a contrastare la gravità. Da un punto di vista tecnico, la levitazione acustica dinamica può essere classificata come una forma di acustoforesi, sebbene questa designazione sia più spesso collegata a pinzette acustiche in miniatura.
La levitazione acustica utilizza comunemente frequenze ultrasoniche, rendendo il suono generato inudibile alla percezione umana. Questa pratica è resa necessaria principalmente dalla notevole intensità del suono richiesta per superare l’attrazione gravitazionale. Nonostante ciò, sono stati documentati casi di utilizzo di frequenze udibili.
Sebbene esistano molteplici metodologie per la generazione del suono, l'approccio predominante prevede l'impiego di trasduttori piezoelettrici, che sono in grado di produrre in modo efficiente uscite di ampiezza elevata a frequenze specifiche.
La levitazione presenta una tecnica promettente per l'elaborazione senza contenitore di microchip e altri componenti piccoli e fragili all'interno di ambienti industriali. La lavorazione senza contenitori trova utilità anche in applicazioni che richiedono materiali di purezza eccezionalmente elevata o che facilitano reazioni chimiche troppo aggressive per il contenimento convenzionale. Sebbene questo metodo ponga maggiori sfide di controllo rispetto ad alternative come la levitazione elettromagnetica, offre il netto vantaggio di consentire la levitazione di sostanze non conduttrici.
Inizialmente statica, la levitazione acustica si è evoluta dalla sospensione stazionaria per comprendere la manipolazione dinamica di oggetti sospesi, una capacità che si è rivelata preziosa nei settori farmaceutico ed elettronico. La realizzazione iniziale di questo controllo dinamico prevedeva un prototipo caratterizzato da una disposizione a scacchiera di emettitori acustici quadrati. Questo sistema ha facilitato il movimento degli oggetti tra i quadrati riducendo progressivamente l'intensità del suono da un emettitore e contemporaneamente aumentandola da uno adiacente, consentendo così la "discesa" virtuale dell'oggetto. I successivi progressi, in particolare lo sviluppo di schede trasduttori ad array di fasi, hanno consentito un controllo dinamico più versatile su più particelle e goccioline contemporaneamente.
Il recente progresso tecnologico ha portato anche a una sostanziale riduzione dei costi associati a questa tecnologia. Il "TinyLev" esemplifica questa tendenza, rappresentando un levitatore acustico che può essere assemblato utilizzando componenti pronti all'uso, economici e prontamente disponibili e un singolare telaio stampato in 3D.
Storia
Sviluppo sperimentale
La dimostrazione iniziale della fattibilità della levitazione acustica avvenne durante gli esperimenti del Tubo di Kundt nel 1866. Questa configurazione sperimentale, condotta all'interno di una camera risonante, dimostrò che le particelle potevano aggregarsi ai nodi di un'onda stazionaria attraverso l'azione delle forze di radiazione acustica. Tuttavia, l'obiettivo principale dell'esperimento originale era determinare le lunghezze d'onda e, di conseguenza, la velocità del suono all'interno di un mezzo gassoso.
L'esempio inaugurale della levitazione fu dimostrato da Bücks e Muller nel 1933, che sospesero con successo goccioline di alcol tra un cristallo di quarzo e un riflettore. Successivi progressi furono compiuti da Hilary St Clair, il cui interesse per le forze di radiazione acustica derivava principalmente dalla loro potenziale applicazione nell'agglomerazione di particelle di polvere per le operazioni minerarie. St Clair ha sviluppato il primo apparato elettromagnetico in grado di generare le ampiezze di eccitazione necessarie per la levitazione, ottenendo successivamente la sospensione di oggetti più grandi e pesanti, come una moneta.
Taylor Wang ha guidato un gruppo di ricerca che ha ampiamente utilizzato le forze delle radiazioni acustiche come strategia di contenimento in ambienti a gravità zero. Questo team ha schierato un dispositivo specializzato a bordo della missione STS-51-B dello Space Shuttle Challenger per esaminare il comportamento delle goccioline levitate in condizioni microgravitazionali. Ulteriori esperimenti furono successivamente eseguiti nel 1992 sul Microgravity Laboratory 1 (USML-1) degli Stati Uniti e nel 1995 sull'USML-2.
Dagli anni '70 fino al 2017, il corno Langevin, comprendente un attuatore piezoelettrico, un trasmettitore metallico e un riflettore, ha rappresentato il dispositivo di levitazione acustica predominante. Questa progettazione, tuttavia, richiedeva una calibrazione precisa della distanza tra il trasmettitore e il riflettore, poiché questa separazione doveva corrispondere a un multiplo esatto della lunghezza d'onda del suono. Tale calibrazione si è rivelata impegnativa perché la lunghezza d’onda fluttua con la velocità del suono, che a sua volta è influenzata da variabili ambientali come la temperatura e l’altitudine. Questi dispositivi hanno facilitato ricerche sostanziali, comprese indagini sulla chimica senza contatto e sulla levitazione di piccoli campioni biologici. Inoltre, sono stati integrati più corni Langevin per ottenere un movimento planare continuo modulando l'intensità del suono: diminuendola da una sorgente e aumentandola da quella adiacente, consentendo così alle particelle di spostarsi "in discesa" all'interno del campo del potenziale acustico.
Recentemente, ha acquisito importanza una nuova generazione di levitatori acustici, caratterizzati dall'uso di numerosi piccoli trasduttori piezoelettrici individuali. Il dispositivo inaugurale di questa categoria è stato il “TinyLev”, un levitatore multi-emettitore monoasse sviluppato nel 2017 da Asier Marzo, Adrian Barnes e Bruce Drinkwater presso l’Università di Bristol. Le distinzioni chiave rispetto al corno Langevin includevano l'impiego di sorgenti sonore sia dalla parte superiore che inferiore (invece di un'unica sorgente e un riflettore) e l'incorporazione di numerosi piccoli trasduttori con eccitazione parallela, in contrapposizione a un elemento piezoelettrico solitario. Questa configurazione, utilizzando due onde opposte che si propagano invece di un'unica sorgente e un riflettore, consentiva una levitazione stabile anche quando la separazione verticale non corrispondeva esattamente a un multiplo della lunghezza d'onda. Sebbene inizialmente concepita come una strategia di riduzione dei costi, l’adozione di più sorgenti di piccole dimensioni ha anche facilitato lo sviluppo della levitazione a schiera. Inoltre, l’integrazione di componenti stampati in 3D per il posizionamento del trasduttore e il telaio di messa a fuoco, insieme agli Arduino per la generazione del segnale, ha sostanzialmente ridotto i costi e migliorato l’accessibilità. Questa riduzione dei costi è stata cruciale, in linea con l'obiettivo primario del dispositivo di democratizzare la tecnologia.
Questa metodologia innovativa ha anche stimolato progressi sostanziali nelle tecniche di levitazione che impiegano trasduttori ultrasonici Phased Array (comunemente abbreviati come PAT). I PAT comprendono un insieme di altoparlanti a ultrasuoni controllati con precisione per generare un campo sonoro specifico e unificato. Questo controllo viene ottenuto manipolando la fase relativa (o tempo di ritardo) tra le singole uscite e, occasionalmente, regolando le loro relative grandezze. A differenza degli array utilizzati nei test non distruttivi o nelle applicazioni di imaging, questi array a levitazione funzionano con un'uscita continua anziché con esplosioni di energia discrete. Questa operazione continua ha consentito sia la levitazione su un solo lato che la manipolazione simultanea di numerose particelle.
Un metodo sempre più diffuso prevede l'utilizzo di componenti stampati in 3D per introdurre i ritardi di fase necessari per la levitazione, ottenendo così un effetto analogo ai PAT. Questo approccio offre il vantaggio di una risoluzione spaziale superiore rispetto agli array a fasi, consentendo la formazione di campi acustici più complessi. Tali componenti sono variamente chiamati ologrammi acustici, metasuperfici, linee di ritardo o metamateriali. Sebbene le variazioni terminologiche derivino in gran parte dalla disciplina di progettazione originaria, il principio fondamentale alla base di tutte queste tecniche rimane coerente. Questi componenti possono anche essere integrati con PAT per ottenere riconfigurabilità dinamica e migliore risoluzione del campo sonoro. Un ulteriore vantaggio è il loro rapporto costo-efficacia, esemplificato dallo sviluppo di un raggio traente a ultrasuoni a basso costo, per il quale sono state pubblicate guide didattiche.
Nonostante l'emergere di numerose nuove tecniche di manipolazione, i corni di Langevin continuano ad essere utilizzati nella ricerca scientifica. La loro preferenza negli studi riguardanti la dinamica degli oggetti levitati deriva dalla loro semplicità geometrica, che facilita sia la simulazione che il controllo preciso sui parametri sperimentali.
Teorico
Il lavoro di Lord Rayleigh all'inizio del XX secolo si concentrava principalmente sulle forze teoriche e sull'energia inerenti alle onde sonore. L'analisi iniziale delle particelle in un campo acustico è stata condotta da L.V. King nel 1934, che calcolò la forza esercitata sulle particelle incomprimibili. Successivamente, Yosioka e Kawisama estesero questa ricerca calcolando le forze sulle particelle comprimibili all'interno delle onde acustiche piane. Questa progressione culminò nella generalizzazione del campo da parte di Lev P. Gor'kov nel potenziale di Gor'kov, che rimane oggi la base matematica fondamentale per la levitazione acustica.
Il potenziale di Gor'kov è limitato dai suoi presupposti sottostanti, che si applicano specificamente alle sfere con un raggio significativamente più piccolo della lunghezza d'onda, tipicamente limitato a un decimo della lunghezza d'onda. Sebbene esistano soluzioni analitiche aggiuntive per geometrie semplici, l'estensione dell'analisi a oggetti più grandi o non sferici richiede comunemente l'applicazione di metodi numerici, in particolare il metodo degli elementi finiti o il metodo degli elementi al contorno. Inoltre, la pressione di radiazione del suono può essere gestita con precisione attraverso la modellazione sub-lunghezza d'onda della superficie di un oggetto.
Tipi di levitazione
La levitazione acustica può essere ampiamente classificata in cinque tipi distinti:
- Levitazione dell'onda stazionaria: questa tecnica intrappola le particelle nei nodi di un'onda stazionaria, che è generata da una sorgente sonora accoppiata con un riflettore (come nel Langevin Horn) o da due serie indipendenti di sorgenti (come nel TinyLev). La sua efficacia si basa sul fatto che le particelle siano piccole rispetto alla lunghezza d'onda, tipicamente il 10% o meno, con un peso massimo di levitazione generalmente nell'ordine dei milligrammi. In particolare, se una particella è eccessivamente piccola rispetto alla lunghezza d'onda, il suo comportamento si altera, facendola migrare verso gli antinodi. Questi levitatori sono tipicamente ad asse singolo, confinando tutte le particelle lungo un asse centrale; tuttavia, l'integrazione dei trasduttori Phased Array (PAT) consente la manipolazione dinamica. Questo metodo rappresenta la tecnica più robusta per la levitazione a distanze superiori ad una lunghezza d'onda, a causa dell'interferenza costruttiva prodotta dalle due onde viaggianti costituenti. Le forze generate dalla levitazione a raggio singolo a distanza sono circa 30 volte più deboli di quelle di una semplice onda stazionaria.
- Levitazione acustica in campo lontano: questo metodo facilita la levitazione di oggetti più grandi della lunghezza d'onda acustica generando un campo su misura che corrisponde alla dimensione e alla forma specifiche dell'oggetto. Questa capacità consente la levitazione di tali oggetti a distanze maggiori della lunghezza d'onda dalla sorgente, a condizione che l'oggetto non sia ad alta densità. Le prime implementazioni prevedevano una semplice onda stazionaria verticale per oggetti a forma di disco o una configurazione a tre trasduttori per stabilizzare le sfere. I progressi più recenti, tuttavia, utilizzano i trasduttori Phased Array (PAT) e il metodo degli elementi di confine per far levitare oggetti significativamente più grandi su distanze estese. L'oggetto più pesante sollevato con successo con questa tecnica è una sfera di polistirene espanso di 30 mm di diametro e del peso di 0,6 g. L'oggetto più grande fatto levitare acusticamente utilizzando PAT posizionati sopra e sotto l'oggetto è un ottaedro di polistirene espanso con una lunghezza diagonale di 50 mm e una massa di 0,5 g.
- Levitazione a raggio singolo: questa tecnica prevede la levitazione di oggetti a distanze superiori a una singola lunghezza d'onda dalle sorgenti, con accesso limitato a un singolo lato. Il design della trappola deve essere specializzato e comunemente si manifesta come una trappola doppia o una trappola a vortice, sebbene anche una trappola a bottiglia sia un'opzione praticabile. La doppia trappola, essendo la più semplice, crea due "pinzette" ad alta pressione sui lati opposti della particella. Quando viene impiegata la messa a fuoco geometrica, questa configurazione può formare un raggio traente utilizzando componenti facilmente disponibili. Al contrario, la trappola a vortice genera un “buco” centrale di bassa pressione. Pur richiedendo un campo di fase più intricato, la trappola a vortice, a differenza della trappola doppia, può far levitare oggetti più grandi della lunghezza d'onda. Nel 2019, i ricercatori dell’Università di Bristol sono riusciti a far levitare l’oggetto più grande mediante un raggio traente, una palla di polistirene espanso di 19,53 mm di diametro. Questo risultato è stato presentato in "The Edge of Science", una produzione della BBC Earth per YouTube Originals presentata da Rick Edwards.
- Levitazione a campo vicino: questo metodo prevede il posizionamento di un oggetto planare sostanziale in prossimità di una superficie del trasduttore, dove funziona come un riflettore, consentendo la levitazione su una pellicola d'aria estremamente sottile. Sebbene sia in grado di sostenere diversi chilogrammi, questa tecnica è limitata a quote di sole centinaia di micrometri sopra la superficie. Di conseguenza, dal punto di vista umano, si manifesta più come una significativa riduzione dell'attrito che come una vera levitazione.
- Levitazione acustica a campo vicino invertita: in condizioni specifiche, la forza repulsiva responsabile della levitazione a campo vicino si inverte, trasformandosi in una forza attrattiva. In tali casi, il trasduttore può essere orientato verso il basso, facilitando la levitazione di un oggetto sottostante. Oggetti del peso di pochi milligrammi sono stati fatti levitare con successo a distanze di decine di micrometri. Le indagini attuali indicano che questo fenomeno si verifica quando il raggio equivalente del disco è inferiore al 38% della lunghezza d'onda.
Queste classificazioni generali rappresentano un metodo per classificare i tipi di levitazione, ma non sono esaustive. La ricerca in corso esplora l'integrazione di varie tecniche per ottenere capacità migliorate, come la levitazione stabile di oggetti non assialsimmetrici attraverso la combinazione della levitazione delle onde stazionarie con un sistema a doppia trappola (tipicamente un metodo di levitazione a raggio singolo). Inoltre, sforzi sostanziali sono dedicati alla fusione di queste tecniche con componenti di sfasamento stampati in 3D per ottenere vantaggi come la formazione passiva del campo o una risoluzione spaziale superiore. Anche le tecniche di controllo presentano una notevole diversità; mentre i trasduttori Phased Array (PAT) sono prevalenti, le piastre Chladni si sono anche dimostrate efficaci sorgenti di onde stazionarie singole per manipolare oggetti levitati alterandone la frequenza.
Applicazioni
La levitazione acustica trova le sue applicazioni principalmente nell'ambito della ricerca scientifica e dei processi industriali.
La levitazione acustica offre un ambiente privo di contenitori per esperimenti di essiccazione delle goccioline, facilitando lo studio dell'evaporazione dei liquidi e della formazione di particelle. Anche la manipolazione senza contatto delle goccioline ha suscitato notevole interesse grazie al suo potenziale per la chimica su piccola scala e senza contenitori. Nello specifico, i ricercatori sono interessati a mescolare più goccioline utilizzando trasduttori Phased Array (PAT) per studiare le reazioni chimiche isolandole dai contenitori convenzionali. Inoltre, c'è un notevole interesse nell'impiegare piccole goccioline levitate come contenitori per cristalli proteici negli esperimenti di diffrazione dei raggi X, con l'obiettivo di determinare le strutture cristalline alla risoluzione atomica, a temperatura ambiente e con un rendimento elevato.
La ricerca ha anche esplorato la levitazione di piccoli animali viventi, dimostrando l'assenza di effetti negativi sulla vitalità delle specie tipicamente presenti nell'aria. Questa tecnica ha un potenziale come strumento futuro per lo studio diretto sugli animali.
È in corso una ricerca attiva nel campo dell'assemblaggio senza contatto. Le dimostrazioni includono la levitazione di componenti elettrici a montaggio superficiale e il microassemblaggio ottenuto attraverso una combinazione di campi acustici e magnetici. Inoltre, esiste un interesse commerciale per la stampa 3D mentre gli oggetti vengono levitati, come esemplificato dal brevetto depositato da Boeing per questo concetto.
La levitazione acustica è stata proposta anche come metodo per sviluppare display volumetrici, in cui la luce viene proiettata su una particella che attraversa un percorso per generare un'immagine a una velocità impercettibile all'occhio umano. Questa capacità è già stata dimostrata e integrata con feedback audio e tattile provenienti dallo stesso Phased Array Transducer (PAT).
Pinzette acustiche
- Pinzette acustiche
- Levitazione ottica
- Pressione di radiazione
- Levitazione elettrostatica
- Levitazione magnetica
- Levitazione aerodinamica
- Galleggiabilità
Riferimenti
Scienza in tempo reale – Ricerca sulla levitazione dei piccoli animali
- Scienza in tempo reale: gli scienziati fanno levitare piccoli animali
- Video di Physics Girl – Costruzione di un levitatore acustico e dimostrazione della levitazione di un liquido