Ultrazvuková levitácia a jej priemyselné aplikácie
Ultrazvuková / akustická levitácia je priemyselne overenou možnosťou bezkontaktného podopierania ľahkých citlivých materiálov, ako aj bezkontaktnej manipulácie so vzorkami. Zistite viac o ultrazvukovej levitácii a jej aplikáciách v priemysle a vede!
Aplikácie ultrazvukovej levitácie
Akustická levitácia je vedecky overená a priemyselne využívaná metóda bezkontaktnej manipulácie s materiálmi a polohovania vzoriek. Ultrazvuková levitácia sa ako metóda bezkontaktnej manipulácie používa na manipuláciu s obrobkami s citlivým povrchom a krehkými obrobkami, napr. polovodičovými doštičkami, mikročipmi alebo tenkými sklenenými platňami, bez mechanického pôsobenia. Vďaka bezkontaktnej manipulácii s materiálmi a vzorkami sa ultrazvuková levitácia zaviedla do priemyselných, vedeckých a analytických aplikácií.
V priemysle sa ultrazvuková levitácia používa ako spoľahlivá metóda bezkontaktného spracovania mikročipov a iných malých, chúlostivých predmetov bez použitia nádob, ktoré sú náchylné na poškodenie aj pri ľahkom fyzickom kontakte. Ďalšou oblasťou použitia je manipulácia s materiálmi s veľmi vysokou čistotou alebo chemickými reaktantmi, ktoré by nádoba ovplyvnila.
Polohy levitujúcich polypropylénových guľôčok v jednoosovom akustickom levitátore. Levitátor / sonotróda hore, reflektor dole (b) H1 = 7,45 mm; (d) H3 = 21,55 mm
(štúdia a obrázky: © Andrade et al. 2018)
V chémii môžu vznášajúce sa kvapôčky slúžiť ako miniatúrne reakčné nádoby, čo výskumníkom umožňuje kombinovať reagencie a pozorovať reakcie pri súčasnom znížení kontaminácie zo stien nádob.
Vedci v oblasti materiálového výskumu používajú levitujúce vzorky na skúmanie odparovania, kryštalizácie a tvorby častíc, zatiaľ čo výskumníci v oblasti analytiky môžu skúmať vznášajúce sa vzorky pomocou optických a spektroskopických techník.
Špecializované akustické manipulačné systémy umožňujú aj prepravu krehkých súčiastok vrátane kremíkových doštičiek, mikročipov a tenkého skla s menším rizikom mechanického poškodenia.
Pre kvapalinové roboty s pancierom z častíc (PBs) ponúka akustická levitácia sľubný smer výskumu: prepravu zapuzdrených reagencií, spájanie kvapôčok na riadené reakcie a premiestňovanie robotov medzi spracovateľskými stanicami pri minimalizácii kontaktu s okolitými povrchmi. Prečítajte si viac o akustickej levitácii kvapalinových robotov s pancierom z častíc!
- predmetmi citlivými na pôsobenie fyzikálnych síl (napr. mikročipmi)
- nevodivými materiálmi
- materiálmi s vysokou čistotou
- chemickými reaktantmi
- biologickými, analytickými vzorkami
- proteínmi na kryštalografiu
Princíp fungovania ultrazvukovej levitácie
Akustická levitácia označuje pôsobenie ultrazvukových vĺn na tekutinu, zvyčajne plyn (napr. vzduch). Keď sa ultrazvuková vlna šíri plynom, zvuková vlna vyvažuje gravitačnú silu – v dôsledku toho sa predmety môžu vznášať vo vzduchu bez podopretia. Tento jav voľného vznášania predmetu vo zvukovej vlne vyžaduje vznik stojatej vlny. Stojatá vlna vzniká, keď sa dve identické vlny prichádzajúce z opačných smerov navzájom skladajú. Preto sa v zostave na akustickú levitáciu používa ultrazvukový menič na vytváranie pozdĺžnych tlakových vĺn a reflektor na opačnej strane tieto vlny odráža, aby sa identické vlny prichádzajúce z oboch strán mohli prekrývať a vytvárať stojaté vlny.
Akustická levitácia malej tuhej guľôčky v tlakovom uzle rovinnej stojatej vlny vytvorenej medzi meničom/levitátorom a reflektorom.
(štúdia a obrázky: © Andrade et al. 2018)
Uzly a kmitne: Pozdĺžna tlaková vlna intenzívneho ultrazvuku umožňuje bezkontaktné vznášanie vo vzduchu. Takéto stojaté ultrazvukové vlny majú definované uzly. Uzol je oblasť minimálneho tlaku, zatiaľ čo kmitňa je definovaná ako oblasť maximálneho tlaku. Uzly stojatej vlny sú základom akustickej levitácie.
Ultrazvukové levitátory fungujú na princípe vytvorenia poľa stojatej vlny nad ultrazvukovou sondou (t. j. sonotródou) a použitia reflektora.
Zariadenia na ultrazvukovú levitáciu
Hielscher Ultrasonics má dlhoročné a rozsiahle skúsenosti s navrhovaním, výrobou a distribúciou vysokokvalitných, vysokovýkonných ultrazvukových zariadení. Na akustickú levitáciu ponúka Hielscher dva štandardné typy levitátorov:
- UP100H – levitátor s frekvenciou 30kHz a výkonom 100 W
- UP400ST – levitátor s frekvenciou 24kHz a výkonom 400W
- UIP500hdT – levitátor s frekvenciou 20kHz a výkonom 500W
Ultrazvukový procesor UP400St je kompaktný systém, v ktorom sú menič a generátor spojené v robustnom kryte. Levitátor UIP500hdT s výkonom 500 wattov má samostatný menič a generátor. Vďaka meniču so stupňom krytia IP64 je UIP500hdT ideálny na inštaláciu v náročných prostrediach.
Ultrazvukové levitátory možno inštalovať ako samostatnú jednotku alebo paralelne a dokážu pracovať vo vysokorýchlostných spracovateľských linkách s vysokou kapacitou spracovania.
Pre špecifické požiadavky Hielscher Ultrasonics navrhuje a vyrába aj levitátory na mieru a levitátory s proprietárnou konštrukciou.
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Literatúra / Referencie
- 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.
Akustický levitátor Hielscher UP100H udržiava kvapôčku kvapaliny vo vzduchu medzi sonotródou a reflektorom.
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory vo veľkostiach od laboratórnych až po priemyselné.