Ultrazvuková levitace a její průmyslové aplikace
Ultrazvuková / akustická levitace je průmyslově osvědčená možnost bezkontaktního uložení lehkých citlivých materiálů i bezkontaktní manipulace se vzorky. Zjistěte více o ultrazvukové levitaci a jejích aplikacích v průmyslu a vědě!
Aplikace ultrazvukové levitace
Akustická levitace je vědecky ověřená a v průmyslu zavedená metoda bezkontaktní manipulace s materiály a polohování vzorků. Ultrazvuková levitace jako bezkontaktní metoda manipulace se používá k manipulaci s povrchově citlivými a křehkými obrobky, např. wafery, mikročipy nebo tenkými skleněnými deskami, bez mechanického působení. Díky bezkontaktní manipulaci s materiály a vzorky byla ultrazvuková levitace zavedena v průmyslových, vědeckých a analytických aplikacích.
V průmyslu se ultrazvuková levitace používá jako spolehlivá metoda bezkontaktního zpracování bez použití nádob u mikročipů a dalších malých, choulostivých předmětů, které se mohou poškodit i lehkým fyzickým kontaktem. Další oblastí použití je manipulace s materiály velmi vysoké čistoty nebo s chemickými reaktanty, které by nádoba ovlivnila.
Levitační polohy polypropylenových kuliček v jednoosém akustickém levitátoru. Levitátor / sonotroda nahoře, reflektor dole (b) H1 = 7,45 mm; (d) H3 = 21,55 mm
(studie a obrázky: © Andrade et al. 2018)
V chemii mohou vznášející se kapky sloužit jako miniaturní reakční nádoby, což výzkumníkům umožňuje kombinovat reagencie a pozorovat reakce při snížené kontaminaci ze stěn nádob.
Materiáloví vědci používají levitované vzorky ke zkoumání odpařování, krystalizace a tvorby částic, zatímco analytičtí výzkumníci mohou vznášející se vzorky zkoumat optickými a spektroskopickými technikami.
Specializované akustické manipulační systémy rovněž podporují přepravu křehkých součástí, včetně křemíkových waferů, mikročipů a tenkého skla, s menším rizikem mechanického poškození.
Pro kapalinové roboty obrněné částicemi (Particle-armored liquid roBots, PBs) nabízí akustická levitace slibný směr výzkumu: přepravu zapouzdřených reagencií, spojování kapek pro řízené reakce a přesun robotů mezi zpracovatelskými stanicemi při minimalizaci kontaktu s okolními povrchy. Přečtěte si více o akustické levitaci kapalinových robotů obrněných částicemi!
- objekty citlivými na fyzikální síly (např. mikročipy)
- nevodivými materiály
- materiály vysoké čistoty
- chemickými reaktanty
- biologickými, analytickými vzorky
- proteiny pro krystalografii
Princip fungování ultrazvukové levitace
Akustická levitace popisuje působení ultrazvukových vln na tekutinu, obvykle plyn (např. vzduch). Když ultrazvuková vlna prochází plynem, zvuková vlna vyrovnává gravitační sílu – s tím výsledkem, že se objekty mohou vznášet ve vzduchu bez opory. Tento efekt volně se vznášejícího objektu ve zvukové vlně vyžaduje jev stojaté vlny. Stojatá vlna vzniká, když se dvě identické vlny přicházející z opačných směrů vzájemně superponují. Proto se v uspořádání pro akustickou levitaci používá ultrazvukový měnič k vytváření podélných tlakových vln a reflektor na druhé straně vlny odráží, takže se identické vlny přicházející z obou stran mohou překrývat a vytvořit stojatou vlnu.
Akustická levitace malé tuhé kuličky v tlakovém uzlu rovinné stojaté vlny vytvořené mezi měničem/levitátorem a reflektorem.
(studie a obrázky: © Andrade et al. 2018)
Uzly a kmitny: Podélná tlaková vlna intenzivního ultrazvuku umožňuje objektům bezkontaktně se vznášet ve vzduchu. Takové stojaté ultrazvukové vlny mají definované uzly. Uzel je oblast minimálního tlaku, zatímco kmitna je definována jako oblast maximálního tlaku. Uzly stojaté vlny jsou v centru akustické levitace.
Ultrazvukové levitátory fungují tak, že se pole stojaté vlny umístí nad ultrazvukovou sondu (tj. sonotrodu) a použije se reflektor.
Zařízení pro ultrazvukovou levitaci
Hielscher Ultrasonics má dlouholeté a bohaté zkušenosti s návrhem, výrobou a distribucí vysoce kvalitních a vysoce výkonných ultrazvukových zařízení. Pro akustickou levitaci nabízí Hielscher dva standardní typy levitátorů:
Ultrazvukový procesor UP400St je kompaktní systém, u něhož jsou měnič a generátor spojeny v robustním pouzdře. Výkonný 500wattový levitátor UIP500hdT má oddělený měnič a generátor. Díky měniči s krytím IP64 je UIP500hdT ideální pro instalaci v náročných prostředích.
Ultrazvukové levitátory lze instalovat jako samostatnou jednotku nebo paralelně a jsou schopny pracovat ve vysokorychlostních zpracovatelských linkách s vysokou kapacitou zpracování.
Pro specifické požadavky Hielscher Ultrasonics navrhuje a vyrábí také zakázkové a proprietární levitátory.
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
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.
Akustický levitátor Hielscher UP100H držící kapku kapaliny ve vzduchu mezi sonotrodou a reflektorem.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratorní po průmyslovou velikost.