PNAS: впервые достигнуто удержание в воздухе несколько объектов с помощью звука

Ученые из Института науки и технологий Австрии нашли способ решить главную проблему акустической левитации — "акустический коллапс", когда несколько парящих в звуковом поле частиц неизбежно притягиваются друг к другу и слипаются в один комок. Добавление электрического заряда позволяет удерживать частицы на расстоянии и даже формировать устойчивые структуры, ранее невозможные.

Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Акустическая левитация удерживает частицы в воздухе с помощью стоячей звуковой волны: в узлах волны создаются точки давления, где небольшой объект может "парить". Но если частиц несколько, отраженный от них звук вызывает притяжение — и вся конструкция мгновенно схлопывается.

Команда под руководством Скотта Вайтукайте нашла элегантное решение: зарядить частицы и использовать электростатическое отталкивание как противовес звуковым силам. Настроив уровень заряда, исследователи смогли получить различные режимы — от полностью разобщенных частиц до гибридных структур, где часть частиц остается разнесенной, а часть образует скопления.

Управлять конфигурациями ученые научились необычным способом — "подбрасывая" частицы при помощи нижней отражающей пластины, которую можно заряжать. Это позволяет переключать структуры на лету.

Когда частицы удалось удержать на расстоянии, перед исследователями открылся совершенно новый физический ландшафт. В некоторых конфигурациях объекты начинали вращаться сами собой или образовывали пары, где одна частица "преследовала" другую. Формально это выглядит как нарушение третьего закона Ньютона — силы между объектами оказываются не равны и не противоположны.

На деле избыточный импульс уходит в звуковое поле, но сами эффекты еще недавно были недоступны наблюдению: частицы попросту не удавалось разделить.

Теперь же у физиков появилась платформа, позволяющая изучать несимметричные взаимодействия, которые важны для понимания нестандартных динамических систем — от активной материи до миниатюрных роботов.

Авторы считают, что их метод может найти применение в материаловедении, микроробототехнике и создании адаптивных структур из множества мелких элементов, которые можно собирать прямо в воздухе.