Montering och manipulation av kluster sammansatta av makroskopiska partiklar med hjälp av akustisk svävning. a, Skisser av kompakta klusterkonfigurationer (isostatiska jordtillstånd) för en till fem partiklar. b, Schematisk över den experimentella uppsättningen. En ultraljudsgivare genererar ljudvågor i luften, med ljudets hastighet cs =343 m s − 1. Avståndet mellan givaren och den transparenta akrylreflektorn väljs för att skapa en tryckstående våg (blå linje) med två noder, vid frekvens f0 =45,65 kHz och våglängd cs/f0. Polyetenpartiklar leviteras akustiskt i den nedre av de två noder. c, Bild av kluster från sidan. Kluster avbildas också underifrån via en spegel (d). d, Olika klusterkonfigurationer, avbildat underifrån. Topp:i två dimensioner, det finns bara en konfiguration med fem partiklar, men sex partiklar kan bilda en av tre olika marktillstånd:parallellogram P, chevron C och triangel T. Botten:kluster med sju partiklar har fyra kompakta konfigurationer:blomma (Fl), sköldpadda (Tu), träd (Tr) och båt (Bo). Kreditera: Naturfysik (2019). DOI:10.1038/s41567-019-0440-9
Forskare vid University of Bath har leviterat partiklar med hjälp av ljud i ett experiment som kan ha tillämpningar i så kallad "mjuk robotik" och hjälpa till att avslöja hur planeter börjar bildas.
Forskargruppen, från University of Bath och University of Chicago, var intresserade av hur material kluster ihop när de inte är på en hård plan yta.
De använde ljudvågor för att sväva partiklar med cirka 1 mm i diameter och studerade hur dessa partiklar, tillverkad av vanlig plastpolyeten, interagera med varandra i 2-D i små grupper om sex eller sju.
När det finns fem eller mindre partiklar samlas partiklarna i endast en konfiguration. Dock, när det finns minst sex partiklar, det finns ett antal olika former som de kan montera i när de sammanförs, som forskarna fann.
Genom att sväva partiklarna och använda höghastighetskameror kunde forskarna fånga dessa olika konfigurationer. De fann att grupper om sex partiklar kan bilda tre former:parallellogram, sparre, och triangel.
Att lägga till ytterligare en partikel för att göra sju innebar att partiklar samlades i en av fyra former, var och en som liknar en blomma, en sköldpadda, ett träd, eller en båt.
Teamet upptäckte att genom att ändra ljudvågsfrekvensen, de kunde manipulera klustren och påverka den framväxande formen. De fann att omarrangemang av formerna ofta beror på att en partikel fungerar som ett "gångjärn" och svänger runt de andra för att omkonfigurera, vilket kan vara mycket användbart i en rad potentiella applikationer.
Dr Anton Souslov från University of Bath Department of Physics sa:"Sex partiklar är det minimum som behövs för att byta mellan olika former, det är där saker blir intressanta.
"Vi har funnit att genom att ändra ultraljudsfrekvensen, vi kan få partiklarna att röra sig och omarrangera. Detta öppnar nya möjligheter för att manipulera objekt för att bilda komplexa strukturer. Kanske kan dessa gångjärn som vi observerar användas för att utveckla nya produkter och verktyg inom bärbar teknik eller mjuk robotik - där forskare och ingenjörer använder mjuk, manipulerbara material för att skapa robotar med mer flexibilitet och anpassningsförmåga än de som är gjorda av styva material.
"Att förstå hur man kontrollerar ultraljudskrafter är verkligen viktigt - ultraljud används redan i hela industrin och i hushållsprodukter från att göra små droppar i luftfuktare (för torra Chicago -vintrar) till att rengöra skräp från hårda ytor. För oss forskare, Att trotsa tyngdkraften för att sväva damm har också detta mer grundläggande intresse av att utveckla jordbaserade experiment för att förstå hur kroppar i rymden som planeter och månar börjar bildas när rymdstoft börjar agglomerera tillsammans. "
Studien publiceras i Naturfysik . Forskargruppen tänker nu titta på hur akustisk svävning kan föra samman större antal partiklar för att montera mer komplexa strukturer.
