Levitação acústica representa uma técnica para suspender material em um meio aéreo, neutralizando as forças gravitacionais através da aplicação de pressão de radiação acústica gerada por ondas sonoras de alta intensidade.
Esse fenômeno opera com princípios análogos aos empregados por pinças acústicas, aproveitando as forças de radiação acústica. No entanto, as pinças acústicas normalmente funcionam como instrumentos de pequena escala dentro de um ambiente fluido, onde os efeitos gravitacionais são menos pronunciados, enquanto a levitação acústica visa fundamentalmente neutralizar a gravidade. Do ponto de vista técnico, a levitação acústica dinâmica pode ser categorizada como uma forma de acustoforese, embora esta designação esteja mais frequentemente associada a pinças acústicas em miniatura.
A levitação acústica comumente emprega frequências ultrassônicas, tornando o som gerado inaudível à percepção humana. Esta prática é necessária principalmente pela intensidade sonora substancial necessária para superar a atração gravitacional. Apesar disso, foram documentados casos de frequências audíveis utilizadas.
Embora existam múltiplas metodologias para geração de som, a abordagem predominante envolve o emprego de transdutores piezoelétricos, que são capazes de produzir com eficiência saídas de alta amplitude em frequências específicas.
A levitação apresenta uma técnica promissora para o processamento sem contêiner de microchips e outros componentes diminutos e frágeis em ambientes industriais. O processamento sem contêiner também é útil em aplicações que exigem materiais de pureza excepcionalmente alta ou que facilitam reações químicas muito agressivas para a contenção convencional. Embora este método represente maiores desafios de controle em comparação com alternativas como a levitação eletromagnética, ele oferece o benefício distinto de permitir a levitação de substâncias não condutoras.
Inicialmente estática, a levitação acústica evoluiu de uma suspensão estacionária para abranger a manipulação dinâmica de objetos flutuantes, uma capacidade que se mostra valiosa nos setores farmacêutico e eletrônico. A realização inicial deste controle dinâmico envolveu um protótipo apresentando um arranjo semelhante a um tabuleiro de xadrez de emissores acústicos quadrados. Este sistema facilitou o movimento do objeto entre quadrados, reduzindo progressivamente a intensidade do som de um emissor e, ao mesmo tempo, aumentando-a de um emissor adjacente, permitindo assim a 'descida' virtual do objeto. Avanços subsequentes, particularmente o desenvolvimento de placas transdutoras de phased array, permitiram um controle dinâmico mais versátil sobre múltiplas partículas e gotículas simultaneamente.
O progresso tecnológico recente também levou a uma redução substancial no custo associado a esta tecnologia. O 'TinyLev' exemplifica essa tendência, representando um levitador acústico que pode ser montado usando componentes baratos e prontamente disponíveis e uma estrutura singular impressa em 3D.
Histórico
Desenvolvimento Experimental
A demonstração inicial da viabilidade da levitação acústica ocorreu durante os experimentos do Tubo de Kundt em 1866. Esta configuração experimental, conduzida dentro de uma câmara ressonante, ilustrou que as partículas poderiam ser agregadas nos nós de uma onda estacionária através da ação de forças de radiação acústica. No entanto, o objetivo principal da experiência original era determinar os comprimentos de onda e, consequentemente, a velocidade do som num meio gasoso.
O exemplo inaugural de levitação foi demonstrado por Bücks e Muller em 1933, que suspenderam com sucesso gotículas de álcool entre um cristal de quartzo e um refletor. O progresso subsequente foi alcançado por Hilary St Clair, cujo interesse nas forças de radiação acústica resultou principalmente de sua aplicação potencial na aglomeração de partículas de poeira para operações de mineração. St Clair desenvolveu o primeiro aparelho eletromagnético capaz de gerar as amplitudes de excitação necessárias para a levitação, conseguindo posteriormente a suspensão de objetos maiores e mais pesados, como uma moeda.
Taylor Wang liderou uma equipe de pesquisa que utilizou extensivamente forças de radiação acústica como estratégia de contenção em ambientes de gravidade zero. Esta equipe implantou um dispositivo especializado a bordo da missão STS-51-B do ônibus espacial Challenger para examinar o comportamento de gotículas levitadas sob condições microgravitacionais. Experimentos adicionais foram posteriormente realizados em 1992 no Laboratório de Microgravidade dos Estados Unidos 1 (USML-1) e em 1995 no USML-2.
Da década de 1970 até 2017, a Trompa Langevin, composta por um atuador piezoelétrico, um transmissor de metal e um refletor, representou o dispositivo de levitação acústica predominante. Este projeto, no entanto, exigiu uma calibração precisa da distância entre o transmissor e o refletor, pois esta separação tinha que corresponder a um múltiplo exato do comprimento de onda do som. Essa calibração revelou-se um desafio porque o comprimento de onda flutua com a velocidade do som, que por sua vez é influenciada por variáveis ambientais como temperatura e altitude. Esses dispositivos facilitaram pesquisas substanciais, incluindo investigações sobre química sem contato e levitação de pequenas amostras biológicas. Além disso, vários chifres Langevin foram integrados para obter movimento plano contínuo, modulando a intensidade do som: diminuindo-o de uma fonte e aumentando-o de uma fonte adjacente, permitindo assim que as partículas atravessem "descendo" dentro do campo de potencial acústico.
Recentemente, uma nova geração de levitadores acústicos, caracterizada pelo uso de numerosos pequenos transdutores piezoelétricos individuais, ganhou destaque. O dispositivo inaugural nesta categoria foi o "TinyLev", um levitador multiemissor de eixo único desenvolvido em 2017 por Asier Marzo, Adrian Barnes e Bruce Drinkwater na Universidade de Bristol. As principais distinções da Trompa Langevin incluíam a implantação de fontes sonoras de cima e de baixo (em vez de uma única fonte e um refletor) e a incorporação de numerosos pequenos transdutores com excitação paralela, em oposição a um elemento piezoelétrico solitário. Esta configuração, utilizando duas ondas progressivas opostas em vez de uma única fonte e um refletor, permitiu uma levitação estável mesmo quando a separação vertical não correspondia precisamente a um múltiplo do comprimento de onda. Embora inicialmente concebida como uma estratégia de redução de custos, a adoção de múltiplas fontes pequenas também facilitou o desenvolvimento da levitação em phased array. Além disso, a integração de componentes impressos em 3D para o posicionamento do transdutor e a estrutura de foco, juntamente com Arduinos para geração de sinal, reduziu substancialmente os custos e melhorou a acessibilidade. Essa redução de custos foi crucial, alinhando-se ao objetivo principal do dispositivo de democratizar a tecnologia.
Essa metodologia inovadora também estimulou avanços substanciais nas técnicas de levitação empregando transdutores ultrassônicos Phased Array (comumente abreviados como PATs). Os PATs compreendem um conjunto de alto-falantes ultrassônicos controlados com precisão para gerar um campo sonoro específico e unificado. Este controle é realizado manipulando a fase relativa (ou tempo de atraso) entre saídas individuais e, ocasionalmente, ajustando suas magnitudes relativas. Em contraste com as matrizes utilizadas em testes não destrutivos ou aplicações de imagem, essas matrizes de levitação operam com uma saída contínua em vez de rajadas discretas de energia. Esta operação contínua permitiu a levitação unilateral e a manipulação simultânea de numerosas partículas.
Um método cada vez mais prevalente envolve a utilização de componentes impressos em 3D para introduzir os atrasos de fase necessários para a levitação, alcançando assim um efeito análogo aos PATs. Esta abordagem oferece a vantagem de resolução espacial superior em comparação com phased arrays, permitindo a formação de campos acústicos mais complexos. Esses componentes são denominados hologramas acústicos, metasuperfícies, linhas de atraso ou metamateriais. Embora as variações terminológicas decorram em grande parte da disciplina de design de origem, o princípio fundamental subjacente a todas estas técnicas permanece consistente. Esses componentes também podem ser integrados aos PATs para obter reconfigurabilidade dinâmica e resolução aprimorada do campo sonoro. Um outro benefício é a sua relação custo-eficácia, exemplificada pelo desenvolvimento de um feixe trator ultrassônico de baixo custo, para o qual foram publicados guias de instrução.
Apesar do surgimento de inúmeras novas técnicas de manipulação, os chifres de Langevin continuam a ser empregados em pesquisas científicas. Sua preferência em estudos relativos à dinâmica de objetos levitados decorre de sua simplicidade geométrica, que facilita tanto a simulação quanto o controle preciso dos parâmetros experimentais.
Teórico
O trabalho de Lord Rayleigh no início do século XX concentrou-se principalmente nas forças teóricas e na energia inerentes às ondas sonoras. A análise inicial de partículas em um campo acústico foi conduzida por L.V. King em 1934, que calculou a força exercida sobre partículas incompressíveis. Posteriormente, Yosioka e Kawisama ampliaram esta pesquisa calculando forças em partículas compressíveis em ondas acústicas planas. Esta progressão culminou na generalização do campo por Lev P. Gor'kov para o potencial de Gor'kov, que continua a ser a base matemática fundamental para a levitação acústica hoje.
O potencial de Gor'kov é limitado pelas suas suposições subjacentes, aplicando-se especificamente a esferas com um raio significativamente menor que o comprimento de onda, normalmente limitado a um décimo do comprimento de onda. Embora existam soluções analíticas adicionais para geometrias simples, estender a análise a objetos maiores ou não esféricos geralmente requer a aplicação de métodos numéricos, particularmente o método dos elementos finitos ou o método dos elementos de contorno. Além disso, a pressão de radiação do som pode ser controlada com precisão através da padronização de subcomprimentos de onda da superfície de um objeto.
Tipos de levitação
A levitação acústica pode ser categorizada em cinco tipos distintos:
- Levitação de Ondas Estacionárias: Esta técnica prende partículas nos nós de uma onda estacionária, que é gerada por uma fonte sonora emparelhada com um refletor (como no Trompa de Langevin) ou por dois conjuntos independentes de fontes (como no TinyLev). A sua eficácia baseia-se no facto de as partículas serem pequenas em relação ao comprimento de onda, normalmente 10% ou menos, com um peso máximo levitado geralmente na gama dos miligramas. Notavelmente, se uma partícula for excessivamente pequena em relação ao comprimento de onda, seu comportamento se altera, fazendo com que ela migre para os anti-nós. Esses levitadores são tipicamente de eixo único, confinando todas as partículas ao longo de um eixo central; no entanto, a integração de transdutores Phased Array (PATs) permite a manipulação dinâmica. Este método representa a técnica mais robusta para levitação em distâncias superiores a um comprimento de onda, devido à interferência construtiva produzida pelas duas ondas viajantes constituintes. As forças geradas pela levitação de feixe único à distância são aproximadamente 30 vezes mais fracas do que as de uma simples onda estacionária.
- Levitação acústica de campo distante: Este método facilita a levitação de objetos maiores que o comprimento de onda acústico, gerando um campo personalizado que corresponde ao tamanho e formato específicos do objeto. Esta capacidade permite a levitação de tais objetos a distâncias superiores ao comprimento de onda da fonte, desde que o objeto não seja de alta densidade. As primeiras implementações envolviam uma onda estacionária vertical simples para objetos em forma de disco ou uma configuração de três transdutores para estabilizar esferas. Avanços mais recentes, no entanto, utilizam Transdutores Phased Array (PATs) e o método do elemento de contorno para levitar objetos significativamente maiores em distâncias estendidas. O objeto mais pesado levantado com sucesso por esta técnica é uma esfera de poliestireno expandido com 30 mm de diâmetro e pesando 0,6 g. O maior objeto levitado acusticamente usando PATs posicionados acima e abaixo do objeto é um octaedro de poliestireno expandido com comprimento diagonal de 50 mm e massa de 0,5 g.
- Levitação de feixe único: Esta técnica envolve levitar objetos a distâncias superiores a um único comprimento de onda das fontes, com acesso restrito a um único lado. O projeto da armadilha deve ser especializado, geralmente se manifestando como uma armadilha dupla ou uma armadilha de vórtice, embora uma armadilha de garrafa também seja uma opção viável. A armadilha dupla, sendo a mais simples, cria duas “pinças” de alta pressão em lados opostos da partícula. Quando a focagem geométrica é empregada, esta configuração pode formar um feixe trator usando componentes prontamente disponíveis. Por outro lado, a armadilha de vórtice gera um “buraco” central de baixa pressão. Embora exija um campo de fase mais complexo, a armadilha de vórtice, ao contrário da armadilha dupla, pode levitar objetos maiores que o comprimento de onda. Em 2019, pesquisadores da Universidade de Bristol conseguiram a levitação do maior objeto por um raio trator, uma bola de poliestireno expandido com 19,53 mm de diâmetro. Essa conquista foi apresentada em "The Edge of Science", uma produção da BBC Earth para o YouTube Originals apresentada por Rick Edwards.
- Levitação de campo próximo: Este método envolve o posicionamento de um objeto plano e substancial próximo a uma superfície do transdutor, onde funciona como um refletor, permitindo a levitação em uma película de ar extremamente fina. Embora seja capaz de suportar vários quilogramas, esta técnica está limitada a elevações de apenas centenas de micrômetros acima da superfície. Consequentemente, do ponto de vista humano, manifesta-se mais como uma redução significativa na fricção do que como uma verdadeira levitação.
- Levitação acústica de campo próximo invertida: Sob condições específicas, a força repulsiva responsável pela levitação de campo próximo se inverte, transformando-se em uma força atrativa. Nesses casos, o transdutor pode ser orientado para baixo, facilitando a levitação de um objeto abaixo dele. Objetos pesando na escala de miligramas foram levitados com sucesso a distâncias de dezenas de micrômetros. Investigações atuais indicam que esse fenômeno ocorre quando o raio equivalente do disco é inferior a 38% do comprimento de onda.
Essas classificações amplas representam um método para categorizar os tipos de levitação, mas não são exaustivas. A pesquisa em andamento explora a integração de várias técnicas para alcançar capacidades aprimoradas, como a levitação estável de objetos não simétricos através da combinação de levitação por ondas estacionárias com um sistema de armadilha dupla (normalmente um método de levitação de feixe único). Além disso, esforços substanciais são dedicados à fusão dessas técnicas com componentes de mudança de fase impressos em 3D para obter benefícios como formação de campo passivo ou resolução espacial superior. As técnicas de controlo também apresentam uma diversidade considerável; embora os transdutores Phased Array (PATs) sejam predominantes, as placas Chladni também foram demonstradas como fontes eficazes de ondas estacionárias únicas para manipular objetos levitados, alterando sua frequência.
Aplicativos
A levitação acústica encontra aplicações principalmente em pesquisas científicas e processos industriais.
A levitação acústica oferece um ambiente sem recipiente para experimentos de secagem de gotículas, facilitando o estudo da evaporação de líquidos e da formação de partículas. A manipulação de gotículas sem contato também atraiu interesse substancial devido ao seu potencial para química em pequena escala e sem recipientes. Especificamente, os pesquisadores estão interessados em misturar múltiplas gotículas usando transdutores Phased Array (PATs) para investigar reações químicas isoladas de recipientes convencionais. Além disso, há um interesse considerável no emprego de pequenas gotículas levitadas como recipientes para cristais de proteínas em experimentos de difração de raios X, com o objetivo de determinar estruturas cristalinas em resolução atômica, em temperatura ambiente e com alto rendimento.
A pesquisa também explorou a levitação de pequenos animais vivos, não demonstrando efeitos adversos na vitalidade de espécies normalmente encontradas no ar. Esta técnica tem potencial como uma ferramenta futura para estudo direto em animais.
Pesquisas ativas estão em andamento no domínio da montagem sem contato. As demonstrações incluem a levitação de componentes elétricos montados em superfície e micromontagem obtida através de uma combinação de campos acústicos e magnéticos. Além disso, existe interesse comercial na impressão 3D enquanto os objetos levitam, exemplificado pelo pedido de patente da Boeing para este conceito.
A levitação acústica também tem sido proposta como método para o desenvolvimento de exibições volumétricas, onde a luz é projetada em uma partícula que percorre um caminho para gerar uma imagem a uma velocidade imperceptível ao olho humano. Esse recurso já foi demonstrado e integrado com feedback de áudio e tátil originado do mesmo Phased Array Transducer (PAT).
Pinças acústicas
- Pinças acústicas
- Levitação óptica
- Pressão de radiação
- Levitação eletrostática
- Levitação magnética
- Levitação aerodinâmica
- Flutuabilidade
Referências
Ciência Viva – Pesquisa sobre a levitação de pequenos animais
- Ciência Viva – Cientistas levitam pequenos animais
- Vídeo da Garota da Física – Construção de um Levitador Acústico e Demonstração de Levitação Líquida