Lewitacja ultradźwiękowa i jej zastosowania przemysłowe

Lewitacja ultradźwiękowa / akustyczna to sprawdzona w przemyśle metoda bezkontaktowego podtrzymywania lekkich, wrażliwych materiałów oraz bezkontaktowego manipulowania próbkami. Dowiedz się więcej o lewitacji ultradźwiękowej i jej zastosowaniach w przemyśle i nauce!

Zastosowania lewitacji ultradźwiękowej

Lewitacja akustyczna jest naukowo potwierdzoną i stosowaną w przemyśle metodą bezkontaktowego manipulowania materiałami i pozycjonowania próbek. Lewitacja ultradźwiękowa jako metoda bezkontaktowego manipulowania służy do przemieszczania delikatnych przedmiotów o wrażliwych powierzchniach, np. płytek półprzewodnikowych, mikrochipów lub cienkich płyt szklanych, bez oddziaływania mechanicznego. Dzięki bezkontaktowemu manipulowaniu materiałami i próbkami lewitacja ultradźwiękowa znalazła zastosowanie w przemyśle, nauce i analizie.
W przemyśle lewitacja ultradźwiękowa jest stosowana jako niezawodna metoda bezkontaktowego przetwarzania mikrochipów i innych małych, delikatnych przedmiotów bez użycia pojemników. Przedmioty te są podatne na uszkodzenia nawet wskutek lekkiego kontaktu fizycznego. Innym obszarem zastosowania jest manipulowanie materiałami o bardzo wysokiej czystości lub reagentami chemicznymi, na które wpływałby kontakt z pojemnikiem.

W chemii zawieszone krople mogą służyć jako miniaturowe naczynia reakcyjne, umożliwiając badaczom łączenie reagentów i obserwowanie reakcji przy jednoczesnym ograniczaniu zanieczyszczeń pochodzących ze ścianek naczyń.
Naukowcy zajmujący się materiałami wykorzystują lewitujące próbki do badania parowania, krystalizacji i powstawania cząstek, natomiast badacze zajmujący się analizą mogą badać zawieszone próbki za pomocą technik optycznych i spektroskopowych.
Specjalistyczne systemy manipulacji akustycznej wspomagają również transport delikatnych elementów, w tym płytek krzemowych, mikrochipów i cienkiego szkła, przy mniejszym ryzyku uszkodzeń mechanicznych.
W przypadku ciekłych robotów opancerzonych cząstkami (PBs) lewitacja akustyczna stanowi obiecujący kierunek badań: transport kapsułkowanych reagentów, zbliżanie kropli do siebie w celu prowadzenia kontrolowanych reakcji oraz przenoszenie robotów między stanowiskami przetwarzania przy jednoczesnym minimalizowaniu kontaktu z otaczającymi powierzchniami. Dowiedz się więcej o lewitacji akustycznej ciekłych robotów opancerzonych cząstkami!
 

Zasada działania lewitacji ultradźwiękowej

Lewitacja akustyczna polega na oddziaływaniu fal ultradźwiękowych na płyn, zwykle gaz (np. powietrze). Gdy fala ultradźwiękowa rozchodzi się w gazie, fala dźwiękowa równoważy siłę grawitacji – dzięki temu przedmioty mogą unosić się w powietrzu bez podparcia. Ten efekt swobodnego unoszenia się przedmiotu w fali dźwiękowej wymaga wystąpienia zjawiska fali stojącej. Fala stojąca powstaje, gdy dwie identyczne fale nadchodzące z przeciwnych kierunków nakładają się na siebie. Dlatego w układzie do lewitacji akustycznej przetwornik ultradźwiękowy służy do wytwarzania podłużnych fal ciśnienia, a reflektor po drugiej stronie odbija fale, tak aby identyczne fale nadchodzące z obu stron mogły nakładać się na siebie i tworzyć fale stojące.

Węzły i strzałki: Podłużna fala ciśnienia ultradźwięków o dużym natężeniu umożliwia bezkontaktowe unoszenie się w powietrzu. Takie stojące fale ultradźwiękowe mają określone węzły. Węzeł jest obszarem minimalnego ciśnienia, natomiast strzałkę definiuje się jako obszar maksymalnego ciśnienia. Węzły fali stojącej odgrywają centralną rolę w lewitacji akustycznej.
Lewitatory ultradźwiękowe działają dzięki umieszczeniu pola fali stojącej nad sondą ultradźwiękową (tj. sonotrodą) i zastosowaniu reflektora.

Urządzenia do lewitacji ultradźwiękowej

Hielscher Ultrasonics ma wieloletnie, bogate doświadczenie w projektowaniu, produkcji i dystrybucji wysokiej jakości urządzeń ultradźwiękowych o wysokiej wydajności. Do lewitacji akustycznej Hielscher oferuje dwa standardowe typy lewitatorów:
 

• UP100H – lewitator 30kHz, 100 W
• UP400ST – lewitator 24kHz, 400W
• UIP500hdT – lewitator 20kHz, 500W

Procesor ultradźwiękowy UP400St to kompaktowy system, w którym przetwornik i generator są połączone w solidnej obudowie. Lewitator UIP500hdT o mocy 500 watów ma oddzielny przetwornik i generator. Dzięki przetwornikowi o stopniu ochrony IP64 urządzenie UIP500hdT idealnie nadaje się do instalacji w wymagających środowiskach.
Lewitatory ultradźwiękowe można instalować jako pojedyncze jednostki lub równolegle; mogą one pracować w liniach przetwarzania o dużej szybkości i wysokiej wydajności.
Na potrzeby szczególnych wymagań Hielscher Ultrasonics projektuje i produkuje również lewitatory dostosowane do indywidualnych potrzeb oraz lewitatory o zastrzeżonej konstrukcji.

Literatura / Źródła

• 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.