Även om forskare har kunnat sväva specifika typer av material, Ett par fysikstudenter i UChicago hjälpte till att ta vetenskapen till en ny nivå.

Tredje året Frankie Fung och fjärde året Mykhaylo Usatyuk ledde ett team av UChicago-forskare som visade hur man svävar olika objekt-keramik- och polyetenkulor, glasbubblor, ispartiklar, lintrådar och tistelfrön - mellan en varm tallrik och en kall tallrik i en vakuumkammare.

"De gjorde många spännande observationer som fick mig att tänka, "sa Cheng Chin, professor i fysik, vars ultrakylda labb i Gordon Center for Integrative Science var hem för experimenten.

I deras arbete, forskare uppnådde ett antal levitationsgenombrott, när det gäller varaktighet, orientering och metod:Leviteringen varade i mer än en timme, i motsats till några minuter; stabilitet uppnåddes radiellt och vertikalt, i motsats till bara vertikalt; och den använde en temperaturgradient snarare än ljus eller ett magnetfält. Deras resultat dök upp den 20 januari Tillämpad fysikbokstäver .

"Magnetisk svävning fungerar bara på magnetiska partiklar, och optisk levitation fungerar bara på föremål som kan polariseras av ljus, men med vår första metod i sitt slag, vi visar en metod för att sväva generiska objekt, sa Chin.

I experimentet, den nedre kopparplattan hölls vid rumstemperatur medan en cylinder av rostfritt stål fylld med flytande kväve hölls vid minus 300 grader Fahrenheit tjänade som topplattan. Värmeflödet uppåt från den varma till den kalla plattan höll partiklarna suspenderade på obestämd tid.

"Den stora temperaturgradienten leder till en kraft som balanserar gravitationen och resulterar i stabil svävning, "sa Fung, studiens huvudförfattare. "Vi lyckades kvantifiera den termoforetiska kraften och fann rimlig överensstämmelse med vad som förutses av teorin. Detta gör att vi kan utforska möjligheterna att sväva olika typer av föremål." (Termofores refererar till partiklarnas rörelse med hjälp av en temperaturgradient.)

"Vår ökade förståelse för den termoforetiska kraften hjälper oss att undersöka interaktioner och bindningsaffiniteter mellan partiklarna vi observerade, "sa Usatyuk, en medförfattare till studien. "Vi är glada över de framtida forskningsinriktningar vi kan följa med vårt system."

Nyckeln för att uppnå hög svävningsstabilitet är de två plåtarnas geometriska design. Ett korrekt förhållande mellan deras storlekar och vertikala avstånd gör att den varma luften kan strömma runt och effektivt fånga upp de svävande föremålen när de driver bort från mitten. En annan känslighetsfaktor är att den termiska gradienten måste peka uppåt - även en felriktning på en grad kommer att kraftigt minska levitationsstabiliteten.

"Endast inom ett snävt tryckområde, temperaturgradient och plattgeometriska faktorer kan vi nå stabil och lång levitation, "Chin sa." Olika partiklar kräver också finjustering av parametrarna. "

Apparaten erbjuder en ny markbaserad plattform för att undersöka dynamiken i astrofysisk, kemiska och biologiska system i en mikrogravitationsmiljö, enligt forskarna.

Levitation av makroskopiska partiklar i ett vakuum är av särskilt intresse på grund av dess breda tillämpningar i rymden, atmosfärisk och astrokemisk forskning. Och termofores har använts i aerosolvärmeutfällare, kärnreaktorsäkerhet och tillverkning av optiska fibrer genom vakuumavsättningsprocesser, som applicerar progressiva lager av atomer eller molekyler under tillverkning.

Den nya metoden är viktig eftersom den erbjuder en ny metod för att manipulera små föremål utan att komma i kontakt med eller förorena dem, sa Thomas Witten, Homer J. Livingston professor emeritus i fysik. "Det erbjuder nya vägar för massmontering av små delar för mikroelektromekaniska system, till exempel, och att mäta små krafter inom sådana system.

"Också, det tvingar oss att undersöka hur drivna gaser, 'såsom gaser som drivs av värmeflöde, kan skilja sig från vanliga gaser, "tillade han." Drivna gaser lovar att skapa nya former av interaktion mellan suspenderade partiklar. "

Levitation av material i markbaserade experiment ger en idealisk plattform för studier av partikeldynamik och interaktioner i en orörd isolerad miljö, avslutade papperet. Chin's lab tittar nu på hur man kan sväva makroskopiska ämnen som är större än en centimeter i storlek, liksom hur dessa objekt interagerar eller aggregerar i en viktlös miljö. "Det finns gott om forskningsmöjligheter som våra begåvade studenter kan bidra till, "Sa Chin.