Die neue Methode nutzt den Wärmestrom, um verschiedene Objekte zu schweben

Anonim

Obwohl Wissenschaftler in der Lage waren, bestimmte Arten von Material zu schweben, halfen ein paar Physikstudenten von UChicago, die Wissenschaft auf ein neues Niveau zu bringen.

Frankie Fung aus dem dritten Jahr und Mykhaylo Usatyuk aus dem vierten Jahr führten ein Team von UChicago-Forschern an, die zeigten, wie man eine Vielzahl von Objekten - Keramik- und Polyethylenkugeln, Glasblasen, Eispartikel, Flusen und Distelsamen - zwischen einer warmen Platte und einer Schwebe schweben lässt kalte Platte in einer Vakuumkammer.

"Sie haben viele faszinierende Beobachtungen gemacht, die mich in den Bann gezogen haben", sagte Cheng Chin, Professor für Physik, dessen ultrakaltes Labor im Gordon Centre for Integrative Science die Experimente beherbergte.

In ihrer Arbeit erzielten die Forscher eine Reihe von Levitationsdurchbrüchen in Bezug auf Dauer, Orientierung und Methode: Die Levitation dauerte mehr als eine Stunde, im Gegensatz zu ein paar Minuten; Stabilität wurde radial und vertikal erreicht, im Gegensatz zu nur vertikal; und es verwendete einen Temperaturgradienten statt Licht oder ein magnetisches Feld. Ihre Ergebnisse erschienen am 20. Januar in Applied Physics Letters .

"Die Magnetschwebebahn funktioniert nur mit magnetischen Teilchen, und die optische Schwebebahn funktioniert nur mit Objekten, die durch Licht polarisiert werden können. Aber mit unserer ersten Methode demonstrieren wir eine Methode, um generische Objekte zu schweben", sagte Chin.

In dem Experiment wurde die untere Kupferplatte bei Raumtemperatur gehalten, während ein rostfreier Stahlzylinder, gefüllt mit flüssigem Stickstoff, der bei 300º Fahrenheit gehalten wurde, als obere Platte diente. Die Aufwärtsströmung von Wärme von der warmen zur kalten Platte hielt die Teilchen unbegrenzt suspendiert.

"Der große Temperaturgradient führt zu einer Kraft, die die Schwerkraft ausgleicht und stabil schwebt", sagte Fung, der Hauptautor der Studie. "Wir haben es geschafft, die thermophoretische Kraft zu quantifizieren und eine vernünftige Übereinstimmung mit dem zu finden, was von der Theorie vorhergesagt wird. Dies wird es uns ermöglichen, die Möglichkeiten des Levitierens verschiedener Arten von Objekten zu erforschen." (Thermophorese bezeichnet die Bewegung von Teilchen mittels eines Temperaturgradienten.)

"Unser verbessertes Verständnis der thermophoretischen Kraft wird uns helfen, die Wechselwirkungen und Bindungsaffinitäten zwischen den beobachteten Teilchen zu untersuchen", sagte Usatyuk, ein Koautor der Studie. "Wir sind begeistert von den zukünftigen Forschungsrichtungen, denen wir mit unserem System folgen können."

Der Schlüssel zur Erreichung hoher Levitationsstabilität ist die geometrische Gestaltung der beiden Platten. Ein angemessenes Verhältnis ihrer Größen und ihres vertikalen Abstands ermöglicht es der warmen Luft, herumzufließen und die levitierten Objekte wirksam zu erfassen, wenn sie von der Mitte wegdriften. Ein weiterer Empfindlichkeitsfaktor ist, dass der Temperaturgradient nach oben zeigen muss - selbst eine Fehlausrichtung von einem Grad wird die Levitationsstabilität stark reduzieren.

"Nur innerhalb eines engen Bereichs von Druck-, Temperaturgradienten- und Plattengeometrie-Faktoren können wir eine stabile und lange Levitation erreichen", sagte Chin. "Unterschiedliche Partikel erfordern auch eine Feinjustierung der Parameter."

Das Gerät bietet eine neue bodengestützte Plattform, um die Dynamik von astrophysikalischen, chemischen und biologischen Systemen in einer Mikrogravitationsumgebung zu untersuchen, so die Forscher.

Die Levitation von makroskopischen Partikeln im Vakuum ist aufgrund ihrer breiten Anwendung in der Weltraum-, atmosphärischen und astrochemischen Forschung von besonderem Interesse. Und die Thermophorese wurde in thermischen Aerosolabscheidern, der Reaktorsicherheit und der Herstellung von optischen Fasern durch Vakuumabscheidungsprozesse verwendet, die während der Herstellung progressive Schichten von Atomen oder Molekülen aufbringen.

Die neue Methode ist bedeutsam, weil sie einen neuen Ansatz bietet, kleine Objekte zu manipulieren, ohne sie zu berühren oder zu kontaminieren, sagte Thomas Witten, Homer J. Livingston emeritierter Professor für Physik. "Es bietet neue Wege für die Massenmontage winziger Teile für mikroelektromechanische Systeme, zum Beispiel, und um kleine Kräfte in solchen Systemen zu messen.

"Außerdem zwingt es uns dazu, erneut zu prüfen, wie" angetriebene Gase ", wie Gase, die durch Wärmefluss angetrieben werden, von gewöhnlichen Gasen abweichen können", fügte er hinzu. "Angetriebene Gase versprechen, neue Formen der Wechselwirkung zwischen suspendierten Partikeln zu schaffen."

Levitation von Materialien in bodenbasierten Experimenten bietet eine ideale Plattform für das Studium der Dynamik und Wechselwirkungen von Partikeln in einer unberührten isolierten Umgebung, so die Abhandlung. Chins Labor untersucht nun, wie makroskopische Substanzen, die größer als ein Zentimeter sind, schweben und wie diese Objekte in einer schwerelosen Umgebung interagieren oder aggregieren. "Es gibt umfangreiche Forschungsmöglichkeiten, zu denen unsere talentierten Studenten beitragen können", sagte Chin.

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