Ultrazvočna levitacija in njena industrijska uporaba
Ultrazvočna / akustična levitacija je v industriji preizkušena možnost za brezkontaktno podpiranje lahkih, občutljivih materialov ter za brezkontaktno ravnanje z vzorci. Preberite več o ultrazvočni levitaciji in njeni uporabi v industriji in znanosti!
Področja uporabe ultrazvočne levitacije
Akustična levitacija je znanstveno dokazana in v industriji uveljavljena metoda za brezkontaktno ravnanje z materiali in pozicioniranje vzorcev. Ultrazvočna levitacija se kot metoda brezkontaktnega ravnanja uporablja za manipuliranje obdelovancev z občutljivo površino in krhkih obdelovancev, npr. rezin, mikročipov ali tankih steklenih plošč, brez mehanskih vplivov. Zaradi brezkontaktnega ravnanja z materiali in vzorci se ultrazvočna levitacija uporablja v industriji, znanosti in analitiki.
V industriji se ultrazvočna levitacija uporablja kot zanesljiva metoda za brezkontaktno obdelavo mikročipov in drugih majhnih, občutljivih predmetov brez posod, saj jih lahko poškoduje že rahel fizični stik. Drugo področje uporabe je ravnanje z materiali zelo visoke čistosti ali kemičnimi reaktanti, na katere bi posoda vplivala.
Levitacijski položaji polipropilenskih krogel v enoosnem akustičnem levitatorju. Levitator / sonotroda zgoraj, reflektor spodaj (b) H1 = 7,45 mm; (d) H3 = 21,55 mm
(študija in slike: © Andrade et al. 2018)
V kemiji lahko lebdeče kapljice služijo kot miniaturne reakcijske posode, kar raziskovalcem omogoča združevanje reagentov in opazovanje reakcij ob zmanjšanem onesnaženju zaradi sten posod.
Raziskovalci na področju znanosti o materialih uporabljajo levitirajoče vzorce za raziskovanje izhlapevanja, kristalizacije in nastajanja delcev, raziskovalci na področju analitike pa lahko lebdeče vzorce preučujejo z optičnimi in spektroskopskimi tehnikami.
Specializirani sistemi za akustično ravnanje omogočajo tudi transport krhkih komponent, vključno s silicijevimi rezinami, mikročipi in tankim steklom, z manjšim tveganjem mehanskih poškodb.
Pri tekočinskih robotih, zaščitenih z delci (PBs), akustična levitacija ponuja obetavno raziskovalno smer: transport enkapsuliranih reagentov, združevanje kapljic za nadzorovane reakcije in prenos robotov med obdelovalnimi postajami ob čim manjšem stiku z okoliškimi površinami. Preberite več o akustični levitaciji tekočinskih robotov, zaščitenih z delci!
- s predmeti, občutljivimi na fizične sile (npr. mikročipi)
- z neprevodnimi materiali
- z materiali visoke čistosti
- s kemičnimi reaktanti
- z biološkimi, analitskimi vzorci
- z beljakovinami za kristalografijo
Načelo delovanja ultrazvočne levitacije
Akustična levitacija pomeni uporabo ultrazvočnih valov v fluidu, običajno plinu (npr. zraku). Ko ultrazvočni val potuje skozi plin, zvočni val uravnovesi silo težnosti – zato lahko predmeti brez podpore lebdijo v zraku. Ta učinek prostega lebdenja predmeta v zvočnem valu zahteva pojav stoječega valovanja. Stoječe valovanje nastane, ko se dva enaka vala, ki prihajata iz nasprotnih smeri, medsebojno prekrivata. Zato se v postavitvi za akustično levitacijo uporablja ultrazvočni pretvornik za ustvarjanje vzdolžnih tlačnih valov, reflektor na drugi strani pa valove odbija, tako da se enaka vala, ki prihajata z obeh strani, lahko prekrivata in tvorita stoječe valovanje.
Akustična levitacija majhne toge krogle v tlačnem vozlu ravnega stoječega valovanja, vzpostavljenega med pretvornikom/levitatorjem in reflektorjem.
(študija in slike: © Andrade et al. 2018)
Vozli in hrbti: Vzdolžni tlačni val intenzivnega ultrazvoka omogoča brezkontaktno lebdenje v zraku. Takšno stoječe ultrazvočno valovanje ima določene vozle. Vozel je območje najmanjšega tlaka, hrbet pa je opredeljen kot območje največjega tlaka. Vozli stoječega valovanja imajo osrednjo vlogo pri akustični levitaciji.
Ultrazvočni levitatorji delujejo tako, da se polje stoječega valovanja vzpostavi nad ultrazvočno sondo (tj. sonotrodo), pri čemer se uporablja reflektor.
Oprema za ultrazvočno levitacijo
Hielscher Ultrasonics ima dolgoletne in obsežne izkušnje pri načrtovanju, proizvodnji in distribuciji visokokakovostne, visokozmogljive ultrazvočne opreme. Za akustično levitacijo Hielscher ponuja dva standardna tipa levitatorjev:
- UP100H – levitator s frekvenco 30kHz in močjo 100 W
- UP400ST – levitator s frekvenco 24kHz in močjo 400W
- UIP500hdT – levitator s frekvenco 20kHz in močjo 500W
Ultrazvočni procesor UP400St je kompakten sistem, v katerem sta pretvornik in generator združena v robustnem ohišju. Levitator UIP500hdT z močjo 500 vatov ima ločena pretvornik in generator. S pretvornikom s stopnjo zaščite IP64 je UIP500hdT idealen za namestitev v zahtevnih okoljih.
Ultrazvočne levitatorje je mogoče namestiti kot posamezno enoto ali vzporedno, delujejo pa lahko v obdelovalnih linijah z visoko hitrostjo in veliko zmogljivostjo obdelave.
Za posebne zahteve Hielscher Ultrasonics načrtuje in izdeluje tudi prilagojene in lastniške levitatorje.
Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!
Literatura / Viri
- 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.
Akustični levitator Hielscher UP100H, ki zadržuje tekočinsko kapljico v zraku med sonotrodo in reflektorjem.
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijskih do industrijskih velikosti.