Hoewel wetenschappers in staat zijn geweest om specifieke soorten materiaal te laten zweven, een paar UChicago-studenten natuurkunde hielpen de wetenschap naar een nieuw niveau te tillen.

Derdejaars Frankie Fung en vierdejaars Mykhaylo Usatyuk leidden een team van UChicago-onderzoekers die demonstreerden hoe ze een verscheidenheid aan objecten konden laten zweven:keramische en polyethyleen bollen, glazen bubbels, ijs deeltjes, pluisjes en distelzaden - tussen een warme plaat en een koude plaat in een vacuümkamer.

"Ze maakten veel intrigerende observaties die me verbaasden, " zei Cheng Chin, hoogleraar natuurkunde, wiens ultrakoude laboratorium in het Gordon Center for Integrative Science de thuisbasis was van de experimenten.

In hun werk, onderzoekers bereikten een aantal doorbraken op het gebied van levitatie, qua duur, oriëntatie en methode:De levitatie duurde meer dan een uur, in tegenstelling tot een paar minuten; stabiliteit werd bereikt radiaal en verticaal, in tegenstelling tot alleen verticaal; en het gebruikte een temperatuurgradiënt in plaats van licht of een magnetisch veld. Hun bevindingen verschenen op 20 januari in Technische Natuurkunde Brieven .

"Magnetische levitatie werkt alleen op magnetische deeltjes, en optische levitatie werkt alleen op objecten die kunnen worden gepolariseerd door licht, maar met onze eerste-van-zijn-soort methode, we demonstreren een methode om generieke objecten te laten zweven, ' zei Chin.

In het experiment, de onderste koperen plaat werd op kamertemperatuur gehouden, terwijl een roestvrijstalen cilinder gevuld met vloeibare stikstof op een temperatuur van min 300 graden Fahrenheit als bovenplaat diende. De opwaartse stroom van warmte van de warme naar de koude plaat hield de deeltjes voor onbepaalde tijd in suspensie.

"De grote temperatuurgradiënt leidt tot een kracht die de zwaartekracht in evenwicht houdt en resulteert in stabiele levitatie, " zei Fung, hoofdauteur van de studie. "We zijn erin geslaagd om de thermoforetische kracht te kwantificeren en vonden redelijke overeenstemming met wat door de theorie wordt voorspeld. Dit zal ons in staat stellen om de mogelijkheden te onderzoeken om verschillende soorten objecten te laten zweven." (Thermoforese verwijst naar de beweging van deeltjes door middel van een temperatuurgradiënt.)

"Ons beter begrip van de thermoforetische kracht zal ons helpen de interacties en bindingsaffiniteiten tussen de deeltjes die we hebben waargenomen te onderzoeken, " zei Usatyuk, een studie co-auteur. "We zijn enthousiast over de toekomstige onderzoeksrichtingen die we met ons systeem kunnen volgen."

De sleutel tot het verkrijgen van een hoge levitatiestabiliteit is het geometrische ontwerp van de twee platen. Een juiste verhouding van hun afmetingen en verticale afstand zorgt ervoor dat de warme lucht rond kan stromen en de zwevende objecten efficiënt kan opvangen wanneer ze wegdrijven van het centrum. Een andere gevoeligheidsfactor is dat de thermische gradiënt naar boven moet wijzen - zelfs een afwijking van één graad zal de levitatiestabiliteit aanzienlijk verminderen.

"Alleen binnen een smal drukbereik, temperatuurgradiënt en plaat geometrische factoren kunnen we stabiele en lange levitatie bereiken, "Zei Chin. "Verschillende deeltjes vereisen ook fijnafstelling van de parameters."

Het apparaat biedt een nieuw grondgebaseerd platform om de dynamiek van astrofysische, chemische en biologische systemen in een microzwaartekrachtomgeving, volgens de onderzoekers.

Levitatie van macroscopische deeltjes in een vacuüm is van bijzonder belang vanwege de brede toepassingen in de ruimte, atmosferisch en astrochemisch onderzoek. En thermoforese is gebruikt in thermische aërosolfilters, veiligheid van kernreactoren en de vervaardiging van optische vezels door middel van vacuümdepositieprocessen, die tijdens de fabricage progressieve lagen van atomen of moleculen aanbrengen.

De nieuwe methode is belangrijk omdat het een nieuwe benadering biedt voor het manipuleren van kleine objecten zonder ze in contact te brengen of te besmetten, zei Thomas Witten, de Homer J. Livingston emeritus hoogleraar natuurkunde. "Het biedt nieuwe mogelijkheden voor massaassemblage van kleine onderdelen voor micro-elektromechanische systemen, bijvoorbeeld, en om kleine krachten binnen dergelijke systemen te meten.

"Ook, het dwingt ons om opnieuw te onderzoeken hoe 'aangedreven gassen, ' zoals gassen aangedreven door warmtestroom, kunnen verschillen van gewone gassen, " voegde hij eraan toe. "Gedreven gassen houden belofte in om nieuwe vormen van interactie tussen gesuspendeerde deeltjes te creëren."

Levitatie van materialen in experimenten op de grond biedt een ideaal platform voor de studie van deeltjesdynamica en interacties in een ongerepte geïsoleerde omgeving, concludeerde het blad. Chin's lab onderzoekt nu hoe macroscopische stoffen groter dan een centimeter kunnen zweven, evenals hoe deze objecten op elkaar inwerken of aggregeren in een gewichtloze omgeving. "Er zijn volop onderzoeksmogelijkheden waaraan onze getalenteerde bachelorstudenten kunnen bijdragen, ' zei Chin.