(A) Allestimento sperimentale di un disco di grafite di 3 mm di diametro che levita su magneti NdFeB disposti in direzioni alterne. (B) Un laser sposta il disco nella direzione del raggio di luce (cornice fotografiche dal video qui sotto). Ristampato con il permesso di Kobayashi, et al. ©2012 American Chemical Society
(Phys.org)—La levitazione magnetica è stata dimostrata per una varietà di oggetti, dai treni alle rane, ma finora nessuno ha sviluppato un pratico attuatore basato su maglev che converta in movimento una fonte esterna di energia. Ora in un nuovo studio, i ricercatori per la prima volta hanno utilizzato un laser per controllare il movimento di un disco di grafite a levitazione magnetica. Modificando la temperatura del disco, il laser può modificare l'altezza di levitazione del disco e spostarlo in una direzione controllata, che ha il potenziale per essere ampliato e utilizzato come sistema di trasporto umano guidato dalla luce. La luce laser o la luce solare possono anche far ruotare il disco levitante a oltre 200 giri al minuto, che potrebbe portare a un nuovo tipo di sistema di conversione dell'energia luminosa.
I ricercatori, Il dottor Masayuki Kobayashi e il professor Jiro Abe dell'Università Aoyama Gakuin di Kanagawa, Giappone (Abe è anche al CREST, Agenzia giapponese per la scienza e la tecnologia a Tokyo), hanno pubblicato il loro studio sul controllo ottico del movimento della grafite maglev in un recente numero del Giornale della Società Chimica Americana .
"Il punto più importante di questo lavoro è il raggiungimento di una tecnica di controllo del movimento in tempo reale che può spostare un materiale diamagnetico levitante magneticamente senza contatto per la prima volta al mondo, "Abe ha detto Phys.org . "Perché questa tecnica è molto semplice e fondamentale, si prevede che si applichi a varie tecniche di vita quotidiana, come i sistemi di trasporto e il divertimento, così come fotoattuatori e sistemi di conversione dell'energia luminosa."
(A) Un laser fa ruotare un disco di grafite a levitazione magnetica (fotogrammi da video). (B) Il laser provoca variazioni di temperatura nella grafite, come misurato dalle immagini a infrarossi del disco quando è sottoposto a irradiazione laser (in alto) e dopo la cessazione dell'irradiazione (in basso). Ristampato con il permesso di Kobayashi, et al. ©2012 American Chemical Society
Come spiegano i ricercatori, la levitazione magnetica si verifica a causa del diamagnetismo di un oggetto, che respinge i campi magnetici. Sebbene tutti i materiali abbiano un certo diamagnetismo, di solito è troppo debole per consentire loro di levitare magneticamente. La levitazione magnetica si verifica solo quando le proprietà diamagnetiche di un materiale sono più forti delle sue proprietà ferromagnetiche e paramagnetiche (che attraggono i campi magnetici). Uno dei materiali diamagnetici più forti è la grafite.
Per levitare magneticamente, la forza magnetica totale di un oggetto non deve essere solo repulsiva, ma la repulsione deve essere anche più forte della forza di gravità. L'altezza alla quale un materiale diamagnetico levita può essere controllata da due fattori:il campo magnetico applicato e le proprietà diamagnetiche del materiale. La posizione di levitazione dei materiali diamagnetici è stata precedentemente controllata modificando il campo magnetico applicato, ma finora nessuno ha controllato con successo il movimento del maglev nel secondo modo, modificando le proprietà diamagnetiche del materiale con uno stimolo esterno come la temperatura, leggero, o suono.
Qui, i ricercatori hanno fatto proprio questo usando un laser per controllare in modo reversibile la temperatura di un disco di grafite che levita su un blocco di magneti permanenti. Hanno dimostrato che, all'aumentare della temperatura della grafite, la sua altezza di levitazione diminuisce, e viceversa. I ricercatori spiegano che il cambiamento di temperatura provoca un cambiamento nella suscettibilità magnetica della grafite, o il grado in cui la sua magnetizzazione reagisce a un campo magnetico applicato. A livello atomico, il laser aumenta il numero di elettroni termicamente eccitati nella grafite per effetto fototermico. Più di questi elettroni, più deboli sono le proprietà diamagnetiche della grafite e minore è la sua altezza di levitazione.
Oltre a controllare l'altezza della grafite maglev, i ricercatori hanno scoperto che potevano anche far muovere la grafite in qualsiasi direzione e ruotarla cambiando il sito di irradiazione. Considerando che il laser è stato puntato proprio al centro del disco di grafite durante il controllo della sua altezza, puntandolo verso il bordo del disco cambia la distribuzione della temperatura, e quindi distribuzione della suscettività magnetica, in modo tale che la forza di repulsione si sbilanci e la grafite si muova nella stessa direzione del fascio luminoso.
Per ruotare il disco di grafite levitante, i ricercatori hanno sostituito i magneti rettangolari a forma di prisma sotto il disco con una pila di magneti di forma cilindrica, e di nuovo puntò il laser sul bordo del disco. La distribuzione distorta della temperatura fa ruotare il disco di grafite levitante, con la direzione e la velocità di rotazione a seconda del sito di irradiazione. La rotazione si verifica anche quando l'impianto è esposto alla luce solare. Convertendo l'energia solare in energia rotazionale, il disco può raggiungere una velocità di rotazione superiore a 200 giri/min, che potrebbe renderlo utile per applicazioni come le turbine ad azionamento ottico.
I ricercatori prevedono che la capacità di controllare il movimento basato su maglev con un laser potrebbe portare allo sviluppo di attuatori basati su maglev e sistemi di conversione dell'energia solare fototermica. Le applicazioni potrebbero includere un basso costo, sistema di generazione di energia rispettoso dell'ambiente e un nuovo tipo di sistema di trasporto guidato dalla luce.
"In questo momento, stiamo progettando di sviluppare una pala di turbina maglev adatta a questo sistema, " disse Abe. "In questo caso, si prevede che l'attrito interrompa la rotazione della turbina maglev. Perciò, vorremmo sviluppare un sistema di conversione dell'energia luminosa ad alta efficienza di conversione energetica con riferimento alla tecnica dei cosiddetti MEMS (Microelectromechanical Systems).
"Per quanto riguarda l'attuatore, la grafite maglev può trasportare qualsiasi cosa che abbia quasi lo stesso peso del disco di grafite levitante. Così, se si ottiene l'espansione di scala del sistema di fotoattuatori, non è un sogno che un umano sulla grafite maglev possa guidare da solo."
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