Para peneliti dapat membuat partikel, tetesan cairan, dan bahkan tusuk gigi terbang di udara dengan membiarkannya naik pada gelombang akustik. Untuk pertama kalinya, mereka juga bisa mengendalikan gerakan mereka.
Para peneliti mengendalikan pergerakan benda yang dievakuasi - di sini tusuk gigi - dengan memvariasikan gelombang akustik dari beberapa modul pemantul-partikel. Kredit foto: Daniele Foresti / ETH Zurich
Tusuk gigi yang melayang di udara tanpa dukungan apa pun - ini mungkin terdengar seperti melibatkan benang, magnet, atau trik sulap-sulap lainnya dari para penyihir. Tetapi trik sebenarnya yang digunakan oleh Daniele Foresti, mantan mahasiswa doktoral sekarang menjadi peneliti postdoctoral di Laboratorium Termodinamika dalam Teknologi yang Berkembang, didasarkan pada gelombang akustik.
Terlepas dari penampilan "sihir", ia dan rekan-rekannya menyadari dan mengendalikan gerakan planar benda-benda mengambang di udara, terlepas dari sifat-sifat mereka, tidak melibatkan ilmu sihir tetapi ilmu pengetahuan. Ini bukan hanya trik yang lucu: benda bergerak seperti partikel atau tetesan cairan bebas di udara memungkinkan untuk menyelidiki proses sambil menghindari kontak yang mengganggu dengan permukaan. Sebagai contoh, beberapa reaksi kimia dan proses biologis dikompromikan oleh permukaan, dan zat-zat tertentu hancur pada kontak dengan permukaan.
Mengendarai gelombang stasioner
Sampai sekarang, para ilmuwan telah mampu menghasilkan keadaan levitasi "bebas kontak" seperti itu hanya dengan bantuan magnet, medan listrik atau dalam cairan dengan bantuan daya apung. Metode ini, bagaimanapun, membatasi pemilihan bahan yang dapat ditangani. “Sangat sulit untuk melayang dan secara tepat memindahkan setetes cairan dengan magnet. Cairan harus memiliki sifat magnetik. Dalam cairan, di mana gaya apung mendukung levitasi, Anda hanya dapat menggunakan cairan tak bercemar seperti setetes minyak dalam air, ”jelas Dimos Poulikakos, Profesor Termodinamika dan kepala proyek penelitian.
Dengan gelombang akustik, sebaliknya, dimungkinkan untuk melayang berbagai objek terlepas dari sifatnya. Faktor pembatas adalah diameter maksimum objek, yang harus sesuai dengan setengah panjang gelombang akustik yang digunakan. Suatu benda mencapai keadaan melayang stasioner ketika semua gaya yang bekerja padanya berada dalam kesetimbangan. Dengan kata lain, gaya gravitasi yang menarik benda ke satu arah diimbangi oleh gaya yang sama besar di arah yang berlawanan. Gaya ini berasal dari gelombang akustik, yang dihasilkan oleh peneliti sebagai gelombang berdiri antara emitor dan reflektor yang menggema gelombang akustik. Kekuatan gelombang akustik mendorong benda dan dengan demikian mencegahnya jatuh karena gravitasi. Secara konseptual mirip dengan jet udara dari kipas yang menjaga bola ping-pong di udara.
Kredit foto: Daniele Foresti / ETH Zurich
Membuat tetesan kopi terbang
Pengetahuan bahwa gelombang akustik dapat mengerahkan gaya - efek tekanan radiasi akustik - pada benda yang menahannya ditemukan lebih dari 100 tahun yang lalu. Sampai sekarang, bagaimanapun, tidak ada yang berhasil mengendalikan gerakan benda yang menaiki gelombang akustik di udara. Foresti mencapai tujuan ini dengan menyalakan beberapa modul emitor-reflektor secara paralel di samping satu sama lain. Dia memvariasikan gelombang akustik dari modul ke modul untuk mentransfer partikel atau tetesan cairan dari satu modul ke modul berikutnya.
Dalam uji coba, Foresti menggunakan metode ini untuk memindahkan butiran kopi instan ke tetesan air dan menggabungkan keduanya. Dalam percobaan lebih lanjut, ia mencampur dua tetesan cairan dengan nilai pH yang berbeda, satu basa dan yang lain bersifat asam; tetesan yang dihasilkan mengandung pigmen fluorescent yang hanya bersinar pada nilai pH netral. Dalam sebuah video, ia menangkap bagaimana kedua tetesan bercampur dan pigmen mulai bersinar.
Mempelajari proses-proses dalam keadaan melayang
“Metode memindahkan objek yang diangkat ini dapat memiliki berbagai aplikasi yang memungkinkan,” kata Foresti. Proses gerakan terkontrol dapat berjalan secara paralel dengan beberapa objek, membuatnya menarik untuk aplikasi industri. Sebagai contoh, beberapa percobaan biologi dan kimia membutuhkan partikel atau tetesan bahan sumber untuk awalnya diproses dan kemudian dianalisis. Dengan teknik ini, para peneliti dapat mencampur sejumlah kecil zat dan cairan secara bertahap tanpa perubahan kimia yang timbul karena kontak dengan permukaan.
Para peneliti telah menguji metode ini dengan tetesan dan partikel berdiameter beberapa milimeter. Eksitasi gelombang akustik harus dipilih setelah analisis teoritis yang cermat: Jika gaya akustik melebihi kekuatan permukaan cairan tertentu, tetesan diatomisasi secara eksplosif. Para peneliti berhasil melayang tetes air, hidrokarbon dan berbagai pelarut.
Melalui ETH Zurich