Ultrazvučna levitacija i njezine industrijske primjene
Ultrazvučna / akustička levitacija industrijski je dokazana mogućnost beskontaktnog podupiranja laganih, osjetljivih materijala te beskontaktnog rukovanja uzorcima. Saznajte više o ultrazvučnoj levitaciji i njezinim primjenama u industriji i znanosti!
Primjene ultrazvučne levitacije
Akustička levitacija znanstveno je dokazana i u industriji prihvaćena metoda beskontaktnog rukovanja materijalima i pozicioniranja uzoraka. Ultrazvučna levitacija kao metoda beskontaktnog rukovanja upotrebljava se za manipuliranje krhkim obratcima s osjetljivom površinom, npr. poluvodičkim pločicama, mikročipovima ili tankim staklenim pločama, bez mehaničkog djelovanja. Zbog beskontaktnog rukovanja materijalima i uzorcima ultrazvučna levitacija uvedena je u industrijske, znanstvene i analitičke primjene.
U industriji se ultrazvučna levitacija upotrebljava kao pouzdana metoda beskontaktne obrade mikročipova i drugih malih, osjetljivih predmeta bez spremnika, koji se mogu oštetiti čak i pri blagom fizičkom kontaktu. Drugo područje primjene jest rukovanje materijalima vrlo visoke čistoće ili kemijskim reaktantima na koje bi spremnik utjecao.
Položaji levitacije polipropilenskih kuglica u jednoosnom akustičkom levitatoru. Levitator / sonotroda na vrhu, reflektor na dnu (b) H1 = 7,45 mm; (d) H3 = 21,55 mm
(istraživanje i slike: © Andrade et al. 2018)
U kemiji lebdeće kapljice mogu služiti kao minijaturne reakcijske posude, omogućujući istraživačima kombiniranje reagensa i promatranje reakcija uz smanjenje kontaminacije sa stijenki posuda.
Znanstvenici u području znanosti o materijalima upotrebljavaju levitirajuće uzorke za istraživanje isparavanja, kristalizacije i nastajanja čestica, dok istraživači u području analitike mogu ispitivati lebdeće uzorke optičkim i spektroskopskim tehnikama.
Specijalizirani sustavi za akustičko rukovanje također omogućuju transport krhkih komponenti, uključujući silicijske pločice, mikročipove i tanko staklo, uz manji rizik od mehaničkog oštećenja.
Za tekuće robote oklopljene česticama (PBs) akustička levitacija nudi obećavajući smjer istraživanja: transport inkapsuliranih reagensa, spajanje kapljica radi kontroliranih reakcija i prijenos robota između stanica za obradu uz minimiziranje kontakta s okolnim površinama. Pročitajte više o akustičkoj levitaciji tekućih robota oklopljenih česticama!
- predmetima osjetljivima na fizičke sile (npr. mikročipovima)
- nevodljivim materijalima
- materijalima visoke čistoće
- kemijskim reaktantima
- biološkim, analitičkim uzorcima
- proteinima za kristalografiju
Načelo rada ultrazvučne levitacije
Akustička levitacija opisuje primjenu ultrazvučnih valova na fluid, obično plin (npr. zrak). Kada ultrazvučni val putuje kroz plin, zvučni val uravnotežuje silu gravitacije – što omogućuje predmetima da lebde u zraku bez potpore. Za taj učinak slobodnog lebdenja predmeta u zvučnom valu nužna je pojava stojnog vala. Stojni val nastaje kada se dva jednaka vala koja dolaze iz suprotnih smjerova međusobno superponiraju. Stoga se u sustavu za akustičku levitaciju ultrazvučni pretvornik upotrebljava za stvaranje uzdužnih tlačnih valova, a reflektor s druge strane odbija valove, tako da se jednaki valovi koji dolaze s obje strane mogu preklopiti i oblikovati stojni val.
Akustička levitacija male krute kuglice u tlačnom čvoru ravnog stojnog vala uspostavljenog između pretvornika/levitatora i reflektora.
(istraživanje i slike: © Andrade et al. 2018)
Čvorovi i trbusi: Uzdužni tlačni val intenzivnog ultrazvuka omogućuje 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 imaju središnju ulogu u akustičkoj levitaciji.
Ultrazvučni levitatori rade uspostavljanjem polja stojnog vala iznad ultrazvučne sonde (tj. sonotrode) i upotrebom reflektora.
Oprema za ultrazvučnu levitaciju
Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje i bogato iskustvo u projektiranju, proizvodnji i distribuciji visokokvalitetne ultrazvučne opreme visokih performansi. Za akustičku 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 sustav u kojem su pretvornik i generator objedinjeni u robusnom kućištu. Levitator UIP500hdT snage 500 vata ima odvojeni pretvornik i generator. Zahvaljujući pretvorniku sa stupnjem zaštite IP64, UIP500hdT idealan je za ugradnju u zahtjevnim okruženjima.
Ultrazvučni levitatori mogu se ugraditi kao pojedinačna jedinica ili paralelno te mogu raditi u brzim procesnim linijama velikog kapaciteta obrade.
Za posebne zahtjeve Hielscher Ultrasonics također projektira i proizvodi 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.
Akustički levitator Hielscher UP100H drži kapljicu tekućine u zraku između sonotrode i reflektora.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorijskih do industrijskih veličina.