Ultraäänilevitaatio ja sen teolliset sovellukset

Ultraääni- eli akustinen levitaatio on teollisuudessa toimivaksi osoitettu vaihtoehto kevyiden, herkkien materiaalien kosketuksettomaan kannatteluun sekä näytteiden kosketuksettomaan käsittelyyn. Lue lisää ultraäänilevitaatiosta ja sen sovelluksista teollisuudessa ja tieteessä!

Ultraäänilevitaation sovellukset

Akustinen levitaatio on tieteellisesti todennettu ja teollisuudessa käyttöön otettu menetelmä materiaalien kosketuksettomaan käsittelyyn ja näytteiden asemointiin. Ultraäänilevitaatiota käytetään kosketuksettomana käsittelymenetelmänä pinnaltaan herkkien ja hauraiden työkappaleiden, kuten kiekkojen, mikrosirujen tai ohuiden lasilevyjen, liikuttamiseen ilman mekaanista vaikutusta. Materiaalien ja näytteiden kosketuksettoman käsittelyn ansiosta ultraäänilevitaatio on otettu käyttöön teollisissa, tieteellisissä ja analyyttisissä sovelluksissa.
Teollisuudessa ultraäänilevitaatiota käytetään luotettavana menetelmänä mikrosirujen ja muiden pienten, herkkien esineiden kosketuksettomaan käsittelyyn ilman astiaa. Nämä esineet voivat vaurioitua jo kevyestä fyysisestä kosketuksesta. Toinen sovellusalue on erittäin puhtaiden materiaalien tai kemiallisten lähtöaineiden käsittely, sillä astia vaikuttaisi niihin.

Kemiassa ilmassa kannatellut pisarat voivat toimia pienoisreaktioastioina, jolloin tutkijat voivat yhdistää reagensseja ja tarkkailla reaktioita samalla kun astian seinämistä aiheutuva kontaminaatio vähenee.
Materiaalitutkijat käyttävät levitaatiossa kannateltuja näytteitä haihtumisen, kiteytymisen ja hiukkasten muodostumisen tutkimiseen, kun taas analyyttisen tutkimuksen tekijät voivat tutkia ilmassa kannateltuja näytteitä optisilla ja spektroskooppisilla menetelmillä.
Erikoistuneet akustiset käsittelyjärjestelmät mahdollistavat myös hauraiden komponenttien, kuten piikiekkojen, mikrosirujen ja ohuen lasin, kuljettamisen pienemmällä mekaanisten vaurioiden riskillä.
Hiukkaspanssaroiduille nesteroboteille (PBs) akustinen levitaatio tarjoaa lupaavan tutkimussuunnan: kapseloitujen reagenssien kuljettamisen, pisaroiden yhdistämisen hallittuja reaktioita varten ja robottien siirtämisen käsittelyasemien välillä samalla kun kosketus ympäröiviin pintoihin minimoidaan. Lue lisää hiukkaspanssaroitujen nesterobottien akustisesta levitaatiosta!
 

Ultraäänilevitaation toimintaperiaate

Akustisella levitaatiolla tarkoitetaan ultraääniaaltojen kohdistamista fluidiin, yleensä kaasuun (esim. ilmaan). Kun ultraääniaalto kulkee kaasun läpi, ääniaalto tasapainottaa painovoiman – minkä seurauksena esineet voivat leijua ilmassa ilman tukea. Tämä ääniaallossa vapaasti leijuvan esineen ilmiö edellyttää seisovan aallon muodostumista. Seisova aalto muodostuu, kun kaksi vastakkaisista suunnista tulevaa samanlaista aaltoa summautuvat keskenään. Siksi akustisessa levitaatiojärjestelyssä ultraäänimuuntimella tuotetaan pitkittäisiä paineaaltoja, ja vastakkaisella puolella oleva heijastin heijastaa aallot niin, että molemmilta puolilta tulevat samanlaiset aallot voivat summautua ja muodostaa seisovan aallon.

Solmut ja kuvut: Voimakkaan ultraäänen pitkittäinen paineaalto mahdollistaa kosketuksettoman leijumisen ilmassa. Tällaisilla seisovilla ultraääniaalloilla on määrätyt solmut. Solmu on pienimmän paineen alue, kun taas kupu määritellään suurimman paineen alueeksi. Seisovan aallon solmuilla on keskeinen rooli akustisessa levitaatiossa.
Ultraäänilevitaattorit toimivat sijoittamalla seisovan aallon kentän ultraäänisondin (eli sonotrodin) yläpuolelle ja käyttämällä heijastinta.

Ultraäänilevitaatiolaitteet

Hielscher Ultrasonicsilla on pitkäaikainen ja vankka kokemus laadukkaiden, suorituskykyisten ultraäänilaitteiden suunnittelusta, valmistuksesta ja jakelusta. Akustiseen levitaatioon Hielscher tarjoaa kaksi vakiotyyppistä levitaattoria:
 

• UP100H – 30kHz:n, 100 W:n levitaattori
• UP400ST – 24kHz:n, 400W:n levitaattori
• UIP500hdT – 20kHz:n, 500W:n levitaattori

Ultraääniprosessori UP400St on kompakti järjestelmä, jossa muunnin ja generaattori on yhdistetty kestävään koteloon. Tehokkaassa, 500 watin levitaattorissa UIP500hdT on erillinen muunnin ja generaattori. IP64-luokitellun muuntimensa ansiosta UIP500hdT soveltuu ihanteellisesti asennettavaksi vaativiin ympäristöihin.
Ultraäänilevitaattorit voidaan asentaa yksittäisinä yksikköinä tai rinnakkain, ja ne pystyvät toimimaan nopeissa käsittelylinjoissa, joiden käsittelykapasiteetti on suuri.
Hielscher Ultrasonics suunnittelee ja valmistaa myös räätälöityjä ja asiakaskohtaisia levitaattoreita erityisvaatimuksiin.

Kirjallisuus / Lähteet

• 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.