Levitazione ultrasonica e sue applicazioni industriali

La levitazione ultrasonica / acustica è una soluzione comprovata in ambito industriale per il sostegno senza contatto di materiali leggeri e sensibili e per la manipolazione senza contatto dei campioni. Scoprite di più sulla levitazione ultrasonica e sulle sue applicazioni nell’industria e nella scienza!

Applicazioni della levitazione ultrasonica

La levitazione acustica è un metodo scientificamente comprovato e adottato nell’industria per la manipolazione dei materiali e il posizionamento dei campioni senza contatto. Come metodo di manipolazione senza contatto, la levitazione ultrasonica viene utilizzata per manipolare pezzi fragili e con superfici sensibili, ad esempio wafer, microchip o sottili lastre di vetro, senza sollecitazioni meccaniche. Grazie alla manipolazione senza contatto di materiali e campioni, la levitazione ultrasonica è stata implementata in applicazioni industriali, scientifiche e analitiche.
Nell’industria, la levitazione ultrasonica viene utilizzata come metodo affidabile per la lavorazione senza contatto e senza contenitori di microchip e altri oggetti piccoli e delicati, che possono subire danni anche in seguito a un lieve contatto fisico. Un altro campo di applicazione è la manipolazione di materiali di purezza molto elevata o di reagenti chimici, che risentirebbero del contatto con un contenitore.

In chimica, le gocce sospese possono fungere da recipienti di reazione in miniatura, consentendo ai ricercatori di combinare reagenti e osservare le reazioni, riducendo al contempo la contaminazione dovuta alle pareti del recipiente.
Gli scienziati dei materiali utilizzano campioni in levitazione per studiare l’evaporazione, la cristallizzazione e la formazione di particelle, mentre i ricercatori in ambito analitico possono esaminare i campioni sospesi mediante tecniche ottiche e spettroscopiche.
I sistemi specializzati di manipolazione acustica consentono anche il trasporto di componenti fragili, tra cui wafer di silicio, microchip e vetro sottile, con un rischio minore di danni meccanici.
Per i robot liquidi rivestiti di particelle (PBs), la levitazione acustica offre una promettente direzione di ricerca: trasportare reagenti incapsulati, avvicinare le gocce per realizzare reazioni controllate e trasferire i robot tra le stazioni di lavorazione, riducendo al minimo il contatto con le superfici circostanti. Scoprite di più sulla levitazione acustica dei robot liquidi rivestiti di particelle!
 

Principio di funzionamento della levitazione ultrasonica

La levitazione acustica consiste nell’applicazione di onde ultrasoniche a un fluido, solitamente un gas (ad esempio l’aria). Quando l’onda ultrasonica attraversa il gas, l’onda sonora controbilancia la forza di gravità – consentendo agli oggetti di rimanere sospesi nell’aria senza sostegno. Questo effetto, per cui un oggetto fluttua liberamente in un’onda sonora, richiede il fenomeno dell’onda stazionaria. Un’onda stazionaria si forma quando due onde identiche provenienti da direzioni opposte si sovrappongono. Pertanto, in una configurazione per la levitazione acustica, un trasduttore ultrasonico viene utilizzato per generare onde di pressione longitudinali e un riflettore sul lato opposto riflette le onde, in modo che le onde identiche provenienti dai due lati possano sovrapporsi e formare onde stazionarie.

Nodi e ventri: L’onda di pressione longitudinale degli ultrasuoni intensi consente di rimanere sospesi nell’aria senza contatto. Queste onde ultrasoniche stazionarie presentano nodi definiti. Un nodo è la zona di pressione minima, mentre un ventre è definito come la zona di pressione massima. I nodi di un’onda stazionaria sono alla base della levitazione acustica.
I levitatori ultrasonici funzionano posizionando il campo dell’onda stazionaria sopra una sonda ultrasonica (ossia un sonotrodo) e utilizzando un riflettore.

Apparecchiature per la levitazione ultrasonica

Hielscher Ultrasonics vanta una lunga e consolidata esperienza nella progettazione, produzione e distribuzione di apparecchiature a ultrasuoni di alta qualità e ad alte prestazioni. Per la levitazione acustica, Hielscher offre due tipi standard di levitatori:
 

• UP100H – un levitatore da 30kHz, 100 W
• UP400ST – un levitatore da 24kHz, 400W
• UIP500hdT – un levitatore da 20kHz, 500W

Il processore a ultrasuoni UP400St è un sistema compatto, in cui il trasduttore e il generatore sono integrati in un robusto alloggiamento. Il potente levitatore UIP500hdT da 500 watt dispone di trasduttore e generatore separati. Grazie al trasduttore con grado di protezione IP64, UIP500hdT è ideale per l’installazione in ambienti impegnativi.
I levitatori ultrasonici possono essere installati come unità singola o in parallelo e sono in grado di funzionare in linee di lavorazione ad alta velocità e ad alta capacità produttiva.
Per esigenze specifiche, Hielscher Ultrasonics progetta e produce anche levitatori personalizzati e proprietari.

Bibliografia / Riferimenti

• 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.