Aunque los científicos han podido levitar tipos específicos de material, un par de estudiantes universitarios de física de UChicago ayudaron a llevar la ciencia a un nuevo nivel.
Frankie Fung de tercer año y Mykhaylo Usatyuk de cuarto año dirigieron un equipo de investigadores de UChicago que demostraron cómo hacer levitar una variedad de objetos: esferas de cerámica y polietileno, burbujas de vidrio, partículas de hielo, hebras de pelusa y semillas de cardo, entre unplaca caliente y una placa fría en una cámara de vacío.
"Hicieron muchas observaciones intrigantes que me dejaron boquiabierto", dijo Cheng Chin, profesor de física, cuyo laboratorio ultrafrío en el Centro Gordon para la Ciencia Integrativa fue el hogar de los experimentos.
Usatyuk y Fung
En su trabajo, los investigadores lograron una serie de avances en la levitación, en términos de duración, orientación y método: la levitación duró más de una hora, en lugar de unos pocos minutos; la estabilidad se logró radial y verticalmente, en lugar de soloverticalmente; y utilizó un gradiente de temperatura en lugar de luz o un campo magnético. Sus hallazgos aparecieron el 20 de enero en Letras de física aplicada .
"La levitación magnética solo funciona en partículas magnéticas y la levitación óptica solo funciona en objetos que pueden ser polarizados por la luz, pero con nuestro método, el primero en su tipo, demostramos un método para hacer levitar objetos genéricos", dijo Chin.
En el experimento, la placa de cobre inferior se mantuvo a temperatura ambiente mientras que un cilindro de acero inoxidable lleno de nitrógeno líquido sirvió como placa superior. El flujo ascendente de calor de la placa caliente a la fría mantuvo las partículas suspendidas indefinidamente.
"El gran gradiente de temperatura conduce a una fuerza que equilibra la gravedad y da como resultado una levitación estable", dijo Fung, el autor principal del estudio. "Logramos cuantificar la fuerza termoforética y encontramos un acuerdo razonable con lo que predice la teoría.nos permiten explorar las posibilidades de levitar diferentes tipos de objetos ". La termoforesis se refiere al movimiento de partículas por medio de un gradiente de temperatura.
"Nuestra mayor comprensión de la fuerza termoforética nos ayudará a investigar las interacciones y las afinidades de unión entre las partículas que observamos", dijo Usatyuk, coautor del estudio. "Estamos entusiasmados con las futuras direcciones de investigación que podemos seguir con nuestro sistema.. "
La clave para obtener una alta estabilidad de levitación es el diseño geométrico de las dos placas. Una proporción adecuada de sus tamaños y espaciado vertical permite que el aire caliente fluya alrededor y capture de manera eficiente los objetos levitados cuando se alejan del centro. Otra sensibilidadEl factor es que el gradiente térmico debe apuntar hacia arriba; incluso una desalineación de un grado reducirá en gran medida la estabilidad de la levitación.
"Solo dentro de un rango estrecho de presión, gradiente de temperatura y factores geométricos de placa podemos alcanzar una levitación estable y larga", dijo Chin. "Las diferentes partículas también requieren un ajuste fino de los parámetros".
El aparato ofrece una nueva plataforma terrestre para investigar la dinámica de los sistemas astrofísicos, químicos y biológicos en un entorno de microgravedad, según los investigadores.
La levitación de partículas macroscópicas en el vacío es de particular interés debido a sus amplias aplicaciones en la investigación espacial, atmosférica y astroquímica. Y la termoforesis se ha utilizado en precipitadores térmicos de aerosoles, seguridad de reactores nucleares y fabricación de fibras ópticas mediante deposición al vacío.procesos, que aplican capas progresivas de átomos o moléculas durante la fabricación.
El nuevo método es significativo porque ofrece un nuevo enfoque para manipular objetos pequeños sin contactarlos o contaminarlos, dijo Thomas Witten, profesor emérito de física de Homer J. Livingston. "Ofrece nuevas vías para el ensamblaje masivo de piezas pequeñas para micro-sistemas electromecánicos, por ejemplo, y para medir pequeñas fuerzas dentro de dichos sistemas.
"Además, nos obliga a reexaminar cómo los 'gases impulsados', como los gases impulsados por el flujo de calor, pueden diferir de los gases ordinarios", agregó. "Los gases impulsados prometen crear nuevas formas de interacción entre partículas suspendidas. "
La levitación de materiales en experimentos terrestres proporciona una plataforma ideal para el estudio de la dinámica de partículas y las interacciones en un entorno prístino aislado, concluyó el artículo. El laboratorio de Chin ahora está estudiando cómo levitar sustancias macroscópicas de más de un centímetro de tamaño,así como cómo estos objetos interactúan o se agregan en un entorno ingrávido. "Hay amplias oportunidades de investigación a las que nuestros talentosos estudiantes de pregrado pueden contribuir", dijo Chin.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Chicago . Original escrito por Greg Borzo. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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