Levitación ultrasónica y sus aplicaciones industriales
La levitación ultrasónica / acústica es una opción probada en la industria para sostener sin contacto materiales sensibles de bajo peso, así como para manipular muestras sin contacto. ¡Descubra más sobre la levitación ultrasónica y sus aplicaciones en la industria y la ciencia!
Aplicaciones de la levitación ultrasónica
La levitación acústica es un método científicamente probado y adoptado en la industria para la manipulación de materiales y el posicionamiento de muestras sin contacto. Como método de manipulación sin contacto, la levitación ultrasónica se utiliza para manipular piezas frágiles y con superficies sensibles, como obleas, microchips o placas de vidrio delgadas, sin impacto mecánico. Gracias a la manipulación sin contacto de materiales y muestras, la levitación ultrasónica se ha implementado en aplicaciones industriales, científicas y analíticas.
En la industria, la levitación ultrasónica se utiliza como método fiable para procesar sin contacto y sin recipientes microchips y otros objetos pequeños y delicados que pueden sufrir daños incluso con un contacto físico leve. Otro campo de aplicación es la manipulación de materiales de muy alta pureza o reactivos químicos que se verían afectados por un recipiente.
Posiciones de levitación de esferas de polipropileno en un levitador acústico de un solo eje. Levitador / sonotrodo en la parte superior, reflector en la parte inferior (b) H1 = 7,45 mm; (d) H3 = 21,55 mm
(estudio e imágenes: © Andrade et al. 2018)
En química, las gotas suspendidas pueden servir como recipientes de reacción en miniatura, lo que permite a los investigadores combinar reactivos y observar reacciones, al tiempo que se reduce la contaminación procedente de las paredes del recipiente.
Los científicos de materiales utilizan muestras en levitación para investigar la evaporación, la cristalización y la formación de partículas, mientras que los investigadores del ámbito analítico pueden examinar muestras suspendidas mediante técnicas ópticas y espectroscópicas.
Los sistemas especializados de manipulación acústica también permiten transportar componentes frágiles, como obleas de silicio, microchips y vidrio delgado, con un menor riesgo de daños mecánicos.
Para los robots líquidos con coraza de partículas (PBs), la levitación acústica ofrece una vía de investigación prometedora: transportar reactivos encapsulados, juntar gotas para realizar reacciones controladas y transferir robots entre estaciones de procesamiento, minimizando el contacto con las superficies circundantes. ¡Descubra más sobre la levitación acústica de robots líquidos con coraza de partículas!
- objetos sensibles a las fuerzas físicas (p. ej., microchips)
- materiales no conductores
- materiales de alta pureza
- reactivos químicos
- muestras biológicas y analíticas
- proteínas para cristalografía
Principio de funcionamiento de la levitación ultrasónica
La levitación acústica consiste en aplicar ondas ultrasónicas a un fluido, normalmente un gas (p. ej., aire). Cuando la onda ultrasónica se propaga a través del gas, la onda sonora contrarresta la fuerza de la gravedad – de modo que los objetos pueden permanecer suspendidos en el aire sin soporte. Este efecto, por el que un objeto flota libremente en una onda sonora, requiere el fenómeno de una onda estacionaria. Una onda estacionaria se forma cuando dos ondas idénticas procedentes de direcciones opuestas se superponen. Por tanto, en un montaje de levitación acústica se utiliza un transductor ultrasónico para generar ondas de presión longitudinales y un reflector situado en el lado opuesto refleja las ondas, de modo que las ondas idénticas procedentes de ambos lados pueden superponerse y formar una onda estacionaria.
Levitación acústica de una pequeña esfera rígida en el nodo de presión de una onda estacionaria plana establecida entre un transductor/levitador y un reflector.
(estudio e imágenes: © Andrade et al. 2018)
Nodos y antinodos: La onda de presión longitudinal de los ultrasonidos intensos permite mantener objetos suspendidos en el aire sin contacto. Estas ondas ultrasónicas estacionarias tienen nodos definidos. Un nodo es la zona de presión mínima, mientras que un antinodo se define como la zona de presión máxima. Los nodos de una onda estacionaria constituyen el elemento central de la levitación acústica.
Los levitadores ultrasónicos funcionan situando el campo de ondas estacionarias sobre una sonda ultrasónica (es decir, un sonotrodo) y utilizando un reflector.
Equipos de levitación ultrasónica
Hielscher Ultrasonics cuenta con una larga trayectoria y amplia experiencia en el diseño, la fabricación y la distribución de equipos ultrasónicos de alta calidad y alto rendimiento. Para la levitación acústica, Hielscher ofrece dos tipos estándar de levitadores:
- UP100H – un levitador de 30 kHz y 100 W
- UP400ST – un levitador de 24 kHz y 400 W
- UIP500hdT – un levitador de 20 kHz y 500 W
El procesador ultrasónico UP400St es un sistema compacto en el que el transductor y el generador se integran en una carcasa robusta. El potente levitador UIP500hdT de 500 vatios dispone de un transductor y un generador separados. Gracias a su transductor con grado de protección IP64, el UIP500hdT es ideal para su instalación en entornos exigentes.
Los levitadores ultrasónicos pueden instalarse como unidades individuales o en paralelo y pueden funcionar en líneas de procesamiento de alta velocidad y elevada capacidad de procesamiento.
Para requisitos específicos, Hielscher Ultrasonics también diseña y fabrica levitadores personalizados y de diseño exclusivo.
¡Contacte con nosotros! / ¡Consúltenos!
Bibliografía / Referencias
- 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.
El levitador acústico UP100H de Hielscher mantiene una gota de líquido suspendida en el aire entre el sonotrodo y el reflector.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde la escala de laboratorio hasta la escala industrial.