Sebbene gli scienziati siano stati in grado di far levitare specifici tipi di materiale, una coppia di studenti universitari di fisica dell'Università di Chicago ha contribuito a portare la scienza a un nuovo livello.

Frankie Fung del terzo anno e Mykhaylo Usatyuk del quarto anno hanno guidato un team di ricercatori di Chicago che hanno dimostrato come far levitare una varietà di oggetti:sfere di ceramica e polietilene, bolle di vetro, particelle di ghiaccio, filamenti di lanugine e semi di cardo, tra un piatto caldo e un piatto freddo in una camera a vuoto.

"Hanno fatto molte osservazioni intriganti che mi hanno fatto impazzire, " disse Cheng Chin, professore di fisica, il cui laboratorio ultrafreddo nel Gordon Center for Integrative Science ospitava gli esperimenti.

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno raggiunto una serie di scoperte sulla levitazione, in termini di durata, orientamento e metodo:La levitazione è durata più di un'ora, al contrario di pochi minuti; la stabilità è stata raggiunta radialmente e verticalmente, al contrario di solo verticalmente; e usava un gradiente di temperatura piuttosto che la luce o un campo magnetico. Le loro scoperte sono apparse il 20 gennaio in Lettere di fisica applicata .

"La levitazione magnetica funziona solo su particelle magnetiche, e la levitazione ottica funziona solo su oggetti che possono essere polarizzati dalla luce, ma con il nostro metodo unico nel suo genere, dimostriamo un metodo per far levitare oggetti generici, " disse Mento.

Nell'esperimento, la piastra di rame inferiore è stata mantenuta a temperatura ambiente mentre un cilindro di acciaio inossidabile riempito di azoto liquido mantenuto a 300 gradi Fahrenheit negativi fungeva da piastra superiore. Il flusso di calore verso l'alto dalla piastra calda a quella fredda ha mantenuto le particelle sospese indefinitamente.

"Il grande gradiente di temperatura porta a una forza che bilancia la gravità e si traduce in una levitazione stabile, " disse Fungo, l'autore principale dello studio. "Siamo riusciti a quantificare la forza termoforetica e abbiamo trovato un ragionevole accordo con quanto previsto dalla teoria. Questo ci consentirà di esplorare le possibilità di levitare diversi tipi di oggetti". (La termoforesi si riferisce al movimento delle particelle per mezzo di un gradiente di temperatura.)

"La nostra maggiore comprensione della forza termoforetica ci aiuterà a studiare le interazioni e le affinità di legame tra le particelle che abbiamo osservato, " disse Usatyuk, un coautore dello studio. "Siamo entusiasti delle future direzioni di ricerca che possiamo seguire con il nostro sistema".

La chiave per ottenere un'elevata stabilità alla levitazione è il disegno geometrico delle due piastre. Un corretto rapporto tra le loro dimensioni e la spaziatura verticale consente all'aria calda di fluire intorno e catturare efficacemente gli oggetti levitati quando si allontanano dal centro. Un altro fattore di sensibilità è che il gradiente termico deve essere rivolto verso l'alto:anche un disallineamento di un grado ridurrà notevolmente la stabilità della levitazione.

"Solo all'interno di una gamma ristretta di pressione, gradiente di temperatura e fattori geometrici della piastra possiamo raggiungere una levitazione stabile e lunga, " Chin ha detto. "Particelle diverse richiedono anche una regolazione fine dei parametri".

L'apparato offre una nuova piattaforma a terra per studiare le dinamiche di astrofisica, sistemi chimici e biologici in un ambiente di microgravità, secondo i ricercatori.

La levitazione di particelle macroscopiche nel vuoto è di particolare interesse per le sue ampie applicazioni nello spazio, ricerca atmosferica e astrochimica. E la termoforesi è stata utilizzata nei precipitatori termici aerosol, sicurezza dei reattori nucleari e produzione di fibre ottiche attraverso processi di deposizione sotto vuoto, che applicano strati progressivi di atomi o molecole durante la fabbricazione.

Il nuovo metodo è significativo perché offre un nuovo approccio alla manipolazione di piccoli oggetti senza contattarli o contaminarli, disse Thomas Witten, l'Homer J. Livingston Professore Emerito di Fisica. "Offre nuove strade per l'assemblaggio di massa di parti minuscole per sistemi microelettromeccanici, Per esempio, e per misurare piccole forze all'interno di tali sistemi.

"Anche, ci costringe a riesaminare come "gas guidati, ' come i gas guidati dal flusso di calore, può differire dai gas ordinari, " ha aggiunto. "I gas guidati promettono di creare nuove forme di interazione tra le particelle sospese".

La levitazione dei materiali negli esperimenti a terra fornisce una piattaforma ideale per lo studio della dinamica e delle interazioni delle particelle in un ambiente isolato incontaminato, concluso il documento. Il laboratorio di Chin sta ora studiando come far levitare sostanze macroscopiche di dimensioni maggiori di un centimetro, così come il modo in cui questi oggetti interagiscono o si aggregano in un ambiente senza peso. "Ci sono ampie opportunità di ricerca a cui i nostri talentuosi studenti universitari possono contribuire, " disse Mento.