Ultrazvučna levitacija i njene industrijske primjene
Ultrazvučna / akustična levitacija industrijski je dokazana opcija za beskontaktno nošenje osjetljivih materijala male težine, kao i za rukovanje uzorcima bez dodira. Saznajte više o ultrazvučnoj levitaciji i njenim primjenama u industriji i nauci!
Primjene ultrazvučne levitacije
Akustična levitacija naučno je dokazana i industrijski usvojena metoda za rukovanje materijalima bez dodira i pozicioniranje uzoraka. Ultrazvučna levitacija kao metoda beskontaktnog rukovanja koristi se za manipulaciju radnim komadima osjetljivim na površinska oštećenja i lomljivim radnim komadima, npr. vaferima, mikročipovima ili tankim staklenim pločama, bez mehaničkog djelovanja. Zahvaljujući rukovanju materijalima i uzorcima bez dodira, ultrazvučna levitacija je implementirana u industrijskim, naučnim i analitičkim primjenama.
U industriji se ultrazvučna levitacija koristi kao pouzdana metoda za obradu mikročipova i drugih sitnih, osjetljivih objekata bez dodira i bez posude, objekata koji su skloni oštećenju čak i pri laganom fizičkom kontaktu. Drugo područje primjene je rukovanje materijalima vrlo visoke čistoće ili kemijskim reaktantima na koje bi posuda mogla utjecati.
Pozicije levitacije polipropilenskih kuglica u jednoosnom akustičnom levitatoru. Levitator / sonotroda je na vrhu, reflektor na dnu (b) H1 = 7,45 mm; (d) H3 = 21,55 mm
(studija i slike: © Andrade et al. 2018)
U hemiji suspendirane kapljice mogu poslužiti kao minijaturne reakcijske posude, što istraživačima omogućava miješanje reagensa i promatranje reakcija uz smanjenje kontaminacije sa zidova posude.
Naučnici koji se bave materijalima koriste levitirane uzorke za istraživanje isparavanja, kristalizacije i stvaranja čestica, dok analitički istraživači suspendirane uzorke mogu ispitivati optičkim i spektroskopskim tehnikama.
Specijalizirani sistemi za akustično rukovanje podržavaju i transport lomljivih komponenti, uključujući silicijske vafere, mikročipove i tanko staklo, uz manji rizik od mehaničkih oštećenja.
Za tekuće robote oklopljene česticama (Particle-armored liquid roBots, PB) akustična levitacija nudi obećavajući pravac istraživanja: transport inkapsuliranih reagensa, spajanje kapljica radi kontroliranih reakcija i prenošenje robota između procesnih stanica uz minimiziranje kontakta s okolnim površinama. Pročitajte više o akustičnoj levitaciji tekućih robota oklopljenih česticama!
- objektima osjetljivim na fizičke sile (npr. mikročipovima)
- neprovodnim materijalima
- materijalima visoke čistoće
- kemijskim reaktantima
- biološkim, analitičkim uzorcima
- proteinima za kristalografiju
Princip rada ultrazvučne levitacije
Akustična levitacija podrazumijeva primjenu ultrazvučnih valova na fluid, obično plin (npr. zrak). Kada ultrazvučni val prolazi kroz plin, zvučni val uravnotežuje silu gravitacije – zbog čega objekti mogu lebdjeti u zraku bez oslonca. Ovaj efekat slobodnog lebdenja objekta u zvučnom valu zahtijeva pojavu stojnog vala. Stojni val nastaje kada se dva identična vala koja dolaze iz suprotnih smjerova međusobno superponiraju. Stoga se u postavu za akustičnu levitaciju koristi ultrazvučni pretvarač za stvaranje longitudinalnih tlačnih valova, a reflektor na drugoj strani reflektira valove, tako da se identični valovi koji dolaze s obje strane mogu preklopiti i oblikovati stojne valove.
Akustična levitacija male krute kuglice u tlačnom čvoru ravnog stojnog vala uspostavljenog između pretvarača/levitatora i reflektora.
(studija i slike: © Andrade et al. 2018)
Čvorovi i trbusi: Longitudinalni tlačni val intenzivnog ultrazvuka omogućava beskontaktno lebdenje u zraku. Takvi stojni ultrazvučni valovi imaju definirane čvorove. Čvor je područje minimalnog tlaka, dok se trbuh definira kao područje maksimalnog tlaka. Čvorovi stojnog vala nalaze se u središtu akustične levitacije.
Ultrazvučni levitatori rade tako da pozicioniraju polje stojnog vala iznad ultrazvučne sonde (tj. sonotrode) uz upotrebu reflektora.
Oprema za ultrazvučnu levitaciju
Hielscher Ultrasonics dugo je prisutan na tržištu i ima veliko iskustvo u projektovanju, proizvodnji i distribuciji visokokvalitetne, visokoučinkovite ultrazvučne opreme. Za akustičnu levitaciju Hielscher nudi dva standardna tipa levitatora:
- UP100H – levitator od 30kHz, 100 W
- UP400ST – levitator od 24kHz, 400W
- UIP500hdT – levitator od 20kHz, 500W
Ultrazvučni procesor UP400St kompaktan je sistem u kojem su pretvarač i generator objedinjeni u robusnom kućištu. Levitator UIP500hdT snage 500 vati ima odvojen pretvarač i generator. Zahvaljujući pretvaraču s IP64 stepenom zaštite, UIP500hdT je idealan za ugradnju u zahtjevnim okruženjima.
Ultrazvučni levitatori mogu se ugraditi kao pojedinačna jedinica ili paralelno i sposobni su raditi u brzim procesnim linijama velikog protoka.
Za posebne zahtjeve Hielscher Ultrasonics projektuje i proizvodi i prilagođene i vlasničke levitatore.
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Literatura / Reference
- Hyobin Jeon, K. Park, j.-Y. Sun, H.-Y. Kim (2025): Particle-armored liquid robots. Science Advances Volume 11, Issue 12, 21 Mar 2025.
- Andrade, M.A.B.; Pérez, N.; Adamowski, J.C. (2018): Review of Progress in Acoustic Levitation. Brazilian Journal of Physics 48, 2018. 190–213.
- Malte Junk, Jörn Hinrichs, Fritz Polt, Jonas Fechner, Werner Pauer (2020): Quantitative experimental determination of evaporation influencing factors in single droplet levitation. International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 149, 2020.
- Junk, Malte (2019): Tropfenverdunstung im akustischen Levitator. Dissertation Universität Hamburg. Fachbereich Chemie der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften, Universität Hamburg 2019.
Akustični levitator Hielscher UP100H drži tekuću kapljicu u zraku između sonotrode i reflektora.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijskih do industrijskih veličina.