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Levitação ultra-sónica e suas aplicações industriais

A levitação ultra-sónica / acústica é uma opção comprovada industrialmente para o suporte sem contacto de materiais sensíveis de peso leve, bem como para o manuseamento de amostras sem contacto. Saiba mais sobre a levitação ultra-sónica e as suas aplicações na indústria e na ciência!

Aplicações da levitação ultra-sónica

A levitação acústica é um método cientificamente comprovado e industrialmente adotado para o manuseamento de materiais sem contacto e para o posicionamento de amostras. A levitação ultra-sónica, como método de manuseamento sem contacto, é utilizada para manipular peças frágeis e sensíveis à superfície, por exemplo, bolachas, microchips ou placas de vidro finas, sem impacto mecânico. Devido ao manuseamento sem contacto de materiais e amostras, a levitação ultra-sónica tem sido implementada em aplicações industriais, científicas e analíticas.
Na indústria, a levitação ultra-sónica é utilizada como um método fiável para o processamento sem contacto e sem recipiente de microchips e outros objectos pequenos e delicados, que são susceptíveis de serem danificados mesmo por um ligeiro contacto físico. Outro campo de aplicação é o manuseamento de materiais de pureza muito elevada ou de reagentes químicos, que seriam influenciados por um recipiente.

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A levitação ultra-sónica/acústica é utilizada para o manuseamento sem contacto de materiais sensíveis (por exemplo, microchips, amostras analíticas, substâncias de elevada pureza)

Posições de levitação de esferas de polipropileno num levitador acústico de eixo único. Levitador / sonotrodo na parte superior, refletor na parte inferior (b) H1 = 7,45 mm; (d) H3 = 21,55 mm
(estudo e imagens: © Andrade et al. 2018)

Neste vídeo utilizamos a levitação acústica para suspender partículas sólidas e líquidas em pleno ar. Utilizamos um Hielscher UP400St - um homogeneizador ultrassónico standard de 400 Watts com uma amplitude de 100%. Para a levitação, uma alta amplitude funciona melhor do que uma baixa amplitude. O sonotrodo utilizado nesta experiência produz 118 oscilações micrométricas na configuração de 100%. A Hielscher fornece levitadores de nível comercial para a elevação sem contacto de microchips e para o transporte sem contacto de bolachas de silício ou ecrãs de telemóveis. Utilizando um levitador, é possível cultivar e estudar cristais suspensos ou reagir a microgotas suspensas no ar.

Levitação ultra-sónica - Demonstração de ondas estacionárias ultra-sónicas - UP400St

Miniatura de vídeo

Levitação ultra-sónica para manuseamento sem contacto de

  • objectos sensíveis a forças físicas (por exemplo, microchips)
  • materiais não condutores
  • materiais de elevada pureza
  • reagentes químicos
  • amostras biológicas e analíticas
  • proteínas para cristalografia

Princípio de funcionamento da levitação ultra-sónica

A levitação acústica descreve a aplicação de ondas de ultra-sons a um fluido, normalmente gás (por exemplo, ar). Quando a onda de ultra-sons atravessa o gás, a onda sonora contrabalança a força da gravidade – o que faz com que os objectos possam pairar sem apoio no ar. Este efeito de um objeto a flutuar livremente numa onda sonora requer o fenómeno de onda estacionária. Uma onda estacionária forma-se quando duas ondas idênticas provenientes de direcções opostas se sobrepõem uma à outra. Por conseguinte, numa configuração de levitação acústica, é utilizado um transdutor ultrassónico para criar ondas de pressão longitudinais e um refletor do outro lado reflecte as ondas, de modo a que as ondas idênticas provenientes de ambos os lados se sobreponham e formem uma onda estacionária.

Esquema do levitador ultrassónico e do posicionamento de uma pequena esfera rígida no nó.

Levitação acústica de uma pequena esfera rígida no nó de pressão de uma onda estacionária plana estabelecida entre um transdutor/levitador e um refletor.
(estudo e imagens: © Andrade et al. 2018)

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Nós e Antinós: A onda de pressão longitudinal de ultra-sons intensos permite pairar no ar sem contacto. Estas ondas de ultra-sons permanentes têm nós definidos. Um nó é a zona de pressão mínima, enquanto que um antinó é definido como a zona de pressão máxima. Os nós de uma onda estacionária encontram-se no centro da levitação acústica.
Os levitadores ultra-sónicos funcionam através do posicionamento do campo de ondas estacionárias sobre uma sonda ultra-sónica (ou seja, sonotrodo) e da utilização de um refletor.

Equipamento de levitação ultra-sónica

A Hielscher Ultrasonics tem uma longa experiência na conceção, fabrico e distribuição de equipamento de ultra-sons de alta qualidade e elevado desempenho. Para a levitação acústica, a Hielscher oferece dois tipos padrão de levitadores:
 

Processador ultrassónico UIP500hdT para aplicações de levitação acústica.O processador ultrassónico UP400St é um sistema compacto, em que o transdutor e o gerador estão combinados numa caixa robusta. O potente levitador de 500 watts UIP500hdT possui transdutor e gerador separados. Com o seu transdutor de grau IP64, o UIP500hdT é ideal para a instalação em ambientes exigentes.
Os levitadores ultra-sónicos podem ser instalados como unidade única ou em paralelo e são capazes de funcionar em linhas de processamento de alta velocidade e alto rendimento.
Para requisitos específicos, a Hielscher Ultrasonics concebe e fabrica também levitadores personalizados e proprietários.

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Neste vídeo é demonstrada a levitação acústica de gotículas de água. A onda ultra-sónica permanente mantém as pequenas gotas de água suspensas no ar. O equipamento de levitação ultra-sónica é utilizado como método de manuseamento de materiais e amostras sem contacto.

Levitação ultra-sónica de gotas

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Literatura / Referências


Ultrassom de alto desempenho! A gama de produtos da Hielscher abrange todo o espectro, desde o ultrasonicator de laboratório compacto sobre unidades de bancada até sistemas ultrassônicos totalmente industriais.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultra-sónicos de alto desempenho a partir de laboratório para dimensão industrial.

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