Levitația ultrasonică și aplicațiile sale industriale

Levitația ultrasonică / acustică este o opțiune dovedită industrial pentru susținerea fără contact a materialelor sensibile și ușoare, precum și pentru manipularea fără contact a probelor. Aflați mai multe despre levitația ultrasonică și aplicațiile sale în industrie și știință!

Aplicații ale levitației ultrasonice

Levitația acustică este o metodă dovedită științific și adoptată industrial pentru manipularea fără contact a materialelor și poziționarea probelor. Levitația ultrasonică, ca metodă de manipulare fără contact, este utilizată pentru a manipula piese fragile și cu suprafețe sensibile, de ex. plachete (wafere), microcipuri sau plăci subțiri de sticlă, fără impact mecanic. Datorită manipulării fără contact a materialelor și probelor, levitația ultrasonică a fost implementată în aplicații industriale, științifice și analitice.
În industrie, levitația ultrasonică este utilizată ca metodă fiabilă pentru procesarea fără contact și fără recipient a microcipurilor și a altor obiecte mici și delicate, care pot fi deteriorate chiar și de un contact fizic ușor. Un alt domeniu de aplicare este manipularea materialelor de foarte înaltă puritate sau a reactanților chimici, care ar fi influențați de un recipient.

În chimie, picăturile suspendate pot servi drept vase de reacție în miniatură, permițând cercetătorilor să combine reactivi și să observe reacții, reducând în același timp contaminarea provenită de la pereții vaselor.
Specialiștii în știința materialelor folosesc probe levitate pentru a investiga evaporarea, cristalizarea și formarea particulelor, în timp ce cercetătorii din domeniul analitic pot examina probele suspendate cu tehnici optice și spectroscopice.
Sistemele specializate de manipulare acustică sprijină, de asemenea, transportul componentelor fragile, inclusiv al plachetelor de siliciu, al microcipurilor și al sticlei subțiri, cu un risc mai redus de deteriorare mecanică.
Pentru roboții lichizi blindați cu particule (Particle-armored liquid roBots, PBs), levitația acustică oferă o direcție de cercetare promițătoare: transportul reactivilor încapsulați, aducerea picăturilor împreună pentru reacții controlate și transferul roboților între stațiile de procesare, reducând la minimum contactul cu suprafețele din jur. Citiți mai multe despre levitația acustică a roboților lichizi blindați cu particule!
 

Principiul de funcționare al levitației ultrasonice

Levitația acustică descrie aplicarea undelor ultrasonice într-un fluid, de obicei un gaz (de ex. aer). Când unda ultrasonică se propagă prin gaz, unda sonoră contrabalansează forța gravitațională – cu rezultatul că obiectele pot pluti nesusținute în aer. Acest efect al unui obiect care plutește liber într-o undă sonoră necesită fenomenul unei unde staționare. O undă staționară se formează atunci când două unde identice care vin din direcții opuse se suprapun. Prin urmare, într-un montaj de levitație acustică, un traductor ultrasonic este utilizat pentru a crea unde de presiune longitudinale, iar un reflector de pe partea opusă reflectă undele, astfel încât unda identică venind din ambele părți să se poată suprapune și să formeze o undă staționară.

Noduri și antinoduri: Unda de presiune longitudinală a ultrasunetelor intense permite plutirea fără contact în aer. Astfel de unde ultrasonice staționare au noduri definite. Un nod este zona de presiune minimă, în timp ce un antinod este definit ca zona de presiune maximă. Nodurile unei unde staționare se află în centrul levitației acustice.
Levitatoarele ultrasonice funcționează prin poziționarea câmpului undei staționare deasupra unei sonde ultrasonice (adică a unei sonotrode) și prin utilizarea unui reflector.

Echipamente pentru levitație ultrasonică

Hielscher Ultrasonics are o experiență îndelungată și vastă în proiectarea, fabricarea și distribuția echipamentelor cu ultrasunete de înaltă calitate și înaltă performanță. Pentru levitația acustică, Hielscher oferă două tipuri standard de levitatoare:

• UP100H – un levitator de 30kHz, 100 W
• UP400St – un levitator de 24kHz, 400W
• UIP500hdT – un levitator de 20kHz, 500W

Procesorul ultrasonic UP400St este un sistem compact, în care traductorul și generatorul sunt combinate într-o carcasă robustă. Puternicul levitator UIP500hdT de 500 de wați are traductor și generator separate. Datorită traductorului său cu grad de protecție IP64, UIP500hdT este ideal pentru instalarea în medii solicitante.
Levitatoarele ultrasonice pot fi instalate ca unitate individuală sau în paralel și sunt capabile să funcționeze în linii de procesare de mare viteză și cu capacitate de procesare ridicată.
Pentru cerințe specifice, Hielscher Ultrasonics proiectează și fabrică, de asemenea, levitatoare personalizate și proprietare.

Literatură / Referințe

• 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.