Los investigadores de UChicago lograron la levitación de objetos macroscópicos entre placas calientes y frías en una cámara de vacío. Crédito:Jean Lachat
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 levitar una variedad de objetos:esferas de cerámica y polietileno, burbujas de vidrio, partículas de hielo, hebras de pelusa y semillas de cardo, entre un plato caliente y un plato frío en una cámara de vacío.
"Hicieron muchas observaciones interesantes que me dejaron alucinado, "dijo Cheng Chin, profesor de física, cuyo laboratorio ultrafrío en el Gordon Center for Integrative Science fue el hogar de los experimentos.
En su trabajo, Los investigadores lograron una serie de avances en levitación, en términos de duración, orientación y método:la levitación duró más de una hora, a diferencia de unos minutos; la estabilidad se logró radial y verticalmente, a diferencia de solo verticalmente; 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 con 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.
Mykhaylo Usatyuk de cuarto año (izquierda) y Frankie Fung de tercer año. Crédito:Jean Lachat
En el experimento, la placa de cobre inferior se mantuvo a temperatura ambiente mientras que un cilindro de acero inoxidable lleno de nitrógeno líquido mantenido a una temperatura negativa de 300 grados Fahrenheit 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. Esto nos permitirá 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, un 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. Otro factor de sensibilidad 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 estrecho rango de presión, El gradiente de temperatura y los factores geométricos de la placa pueden alcanzar una levitación estable y larga, "Dijo Chin." Las diferentes partículas también requieren un ajuste fino de los parámetros ".
Los investigadores lograron la levitación de pelusa entre otras partículas. Crédito:Chin Lab
El aparato ofrece una nueva plataforma terrestre para investigar la dinámica de la astrofísica, sistemas 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 el espacio, investigación atmosférica y astroquímica. Y la termoforesis se ha utilizado en precipitadores térmicos en aerosol, la seguridad de los reactores nucleares y la fabricación de fibras ópticas mediante procesos de deposición al vacío, 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, el Profesor Emérito de Física Homer J. Livingston. "Ofrece nuevas vías para el ensamblaje masivo de piezas diminutas para sistemas microelectromecánicos, por ejemplo, y medir pequeñas fuerzas dentro de tales sistemas.
"También, nos obliga a reexaminar cómo 'los gases impulsados, 'como los gases impulsados por el flujo de calor, puede diferir de los gases ordinarios, ", agregó." Los gases impulsados prometen crear nuevas formas de interacción entre las partículas en suspensión ".
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 y aislado. concluyó el artículo. El laboratorio de Chin ahora está estudiando cómo hacer levitar sustancias macroscópicas de más de un centímetro de tamaño, así como cómo estos objetos interactúan o se agregan en un entorno ingrávido. "Existen amplias oportunidades de investigación a las que nuestros talentosos estudiantes de pregrado pueden contribuir, "Dijo Chin.
