Ультразвукова левітація та її промислові застосування
Ультразвукова / акустична левітація є промислово перевіреною опцією для безконтактного утримання легких чутливих матеріалів, а також для безконтактного обробки зразків. Дізнайтеся більше про ультразвукову левітацію та її застосування в промисловості та науці!
Застосування ультразвукової левітації
Акустична левітація є науково доведеним і промислово впровадженим методом безконтактного обробки матеріалів та позиціонування зразків. Ультразвукова левітація як метод безконтактного обробки використовується для маніпулювання поверхнево чутливими та крихкими заготовками, наприклад, пластинами, мікрочипами або тонкими скляними пластинами, без механічного впливу. Завдяки безконтактному обробці матеріалів і зразків, ультразвукова левітація була впроваджена в промислових, наукових та аналітичних застосуваннях.
У промисловості ультразвукова левітація використовується як надійний метод для безконтактної, безконтейнерної обробки мікрочипів та інших малих, делікатних об’єктів, які схильні до пошкоджень навіть при легкому фізичному контакті. Іншою сферою застосування є обробка матеріалів або хімічних реагентів надвисокої чистоти, на які вплив контейнера був би небажаним.
Позиції левітації сфер з поліпропілену в одноосьовому акустичному левітаторі. Левітатор / сонотрод зверху, відбивач знизу (b) H1 = 7,45 mm; (d) H3 = 21,55 mm
(дослідження та зображення: © Andrade et al. 2018)
У хімії підвішені краплі можуть служити мініатюрними реакційними посудинами, дозволяючи дослідникам поєднувати реагенти та спостерігати реакції, зменшуючи забруднення від стінок посудини.
Матеріалознавці використовують левітовані зразки для дослідження випаровування, кристалізації та утворення частинок, тоді як аналітичні дослідники можуть вивчати підвішені зразки за допомогою оптичних та спектроскопічних методів.
Спеціалізовані системи акустичного обробки також підтримують транспортування крихких компонентів, включаючи кремнієві пластини, мікрочипи та тонке скло, з меншим ризиком механічних пошкоджень.
Для рідких роботів, захищених частинками (Particle-armored liquid roBots, PBs), акустична левітація пропонує перспективний напрямок досліджень: транспортування інкапсульованих реагентів, зближення крапель для контрольованих реакцій та переміщення роботів між обробними станціями, мінімізуючи контакт із навколишніми поверхнями. Дізнайтеся більше про акустичну левітацію рідких роботів, захищених частинками!
- об’єктів, чутливих до фізичних сил (наприклад, мікрочипів)
- непровідних матеріалів
- матеріалів високої чистоти
- хімічних реагентів
- біологічних, аналітичних зразків
- білків для кристалографії
Принцип дії ультразвукової левітації
Акустична левітація описує застосування ультразвукових хвиль до флюїду, зазвичай газу (наприклад, повітря). Коли ультразвукова хвиля поширюється через газ, звукова хвиля протидіє силі тяжіння – в результаті чого об’єкти можуть зависати в повітрі без підтримки. Цей ефект вільно плаваючого об’єкта в звуковій хвилі потребує явища стоячої хвилі. Стояча хвиля утворюється, коли дві ідентичні хвилі, що йдуть з протилежних напрямків, накладаються одна на одну. Тому в установці для акустичної левітації використовується ультразвуковий перетворювач для створення поздовжніх хвиль тиску, а відбивач на іншому боці відбиває хвилі, так що ідентичні хвилі, що йдуть з обох боків, можуть накладатися та утворювати стоячі хвилі.
Акустична левітація малої жорсткої сфери в вузлі тиску площинної стоячої хвилі, встановленої між перетворювачем/левітатором та відбивачем.
(дослідження та зображення: © Andrade et al. 2018)
Вузли та пучності: Поздовжня хвиля тиску інтенсивного ультразвуку дозволяє безконтактно зависати в повітрі. Такі стоячі ультразвукові хвилі мають визначені вузли. Вузол – це область мінімального тиску, тоді як пучність визначається як область максимального тиску. Вузли стоячої хвилі знаходяться в центрі акустичної левітації.
Ультразвукові левітатори працюють шляхом позиціонування поля стоячої хвилі над ультразвуковим зондом (тобто сонотродом) та використанням відбивача.
Обладнання для ультразвукової левітації
Hielscher Ultrasonics має багаторічний та великий досвід у проектуванні, виробництві та розповсюдженні високоякісного, високопродуктивного ультразвукового обладнання. Для акустичної левітації Hielscher пропонує два стандартні типи левітаторів:
Ультразвуковий процесор UP400St є компактною системою, де перетворювач та генератор поєднані в міцному корпусі. Потужний левітатор UIP500hdT на 500 ват має окремий перетворювач та генератор. Завдяки перетворювачу класу IP64, UIP500hdT ідеально підходить для встановлення в складних умовах.
Ультразвукові левітатори можуть бути встановлені як окремий пристрій або паралельно та здатні працювати у високоскорісних, високопродуктивних обробних лініях.
Для специфічних вимог Hielscher Ultrasonics також проектує та виробляє індивідуальні та пропрієтарні левітатори.
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Література / Посилання
- 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.
Акустичний левітатор Hielscher UP100H утримує рідку краплю в повітрі між сонотродом та відбивачем.
Hielscher Ultrasonics виробляє високопродуктивні ультразвукові гомогенізатори від лабораторного до промислового розміру.