Летай, создавай
Шарики пенопласта поднимаются над поверхностью и аккуратно выстраиваются в линию. Материал легкий, почти невесомый, потому происходящее может на первый взгляд не вызвать удивления. Но это не фокус, разыгранный с помощью невидимых дуновений воздуха. Ученые из Томска отправили кусочки пластика в управляемый полет в акустическом поле. Следующим их шагом должна стать ультразвуковая 3D-печать – принципиально новый метод работы.
Само явление акустической левитации – полета с использованием энергии звуковых волн – изучено довольно давно. Теоретическая возможность этого была доказана еще в первой половине ХХ века, практические опыты проводятся сегодня во многих странах мира. Потенциал огромный. С помощью акустической левитации можно, например, создавать эффективные лекарственные препараты, извлекая с помощью управляемой волны из исходного вещества только самое ценное. Или даже отправлять еду прямо в рот, как в мультфильме «Вовка в Тридевятом царстве», – недавно о разработке такой технологии сообщили представители английской лаборатории SCHI Lab.
Однако вот в чем проблема: ученые никак не могут научиться левитировать по-настоящему крупные или тяжелые предметы. В январе исследователи из Бристольского университета (Великобритания) сообщили, что впервые у них получилось отправить в акустический полет объект больше длины волны. И хотя речь лишь о полистирольном шарике диаметром 1,6 см, это было воспринято научным сообществом как огромное достижение.
Так чем же тогда работа российских ученых примечательна? Тем, что исследователи из Томского государственного университета (ТГУ) решили превратить недостатки акустической левитации в достоинства. Они не собираются отправлять в полет массивные предметы, а хотят научиться «строить» большие вещи из маленьких в акустическом поле. «Завершить работу планируется к 2020 году», – говорит руководитель проекта профессор ТГУ Дмитрий Суханов.
Первый этап работ – контролируемая левитация – пройден. На презентационном видео несколько частиц пенопласта парят, выстроившись в строгий ряд. Созданная в лаборатории ТГУ установка состоит из излучателей и безэховой камеры, стены которой покрыты поглотителями. В потоке волн частоты 40 кГц кусочки пенопласта находятся в «подвешенном» состоянии. Изменяя частоту и интенсивность излучателей, парящие частицы можно двигать из стороны в сторону.
«Следующим шагом, – рассказывает Дмитрий Суханов, – должна стать манипуляция группой частиц, являющихся сырьем для 3D-печати». Профессор говорит, что, скорее всего, на данном этапе к проекту будут привлекаться химики – для выбора оптимальной рецептуры «строительных» материалов и определения температурных режимов соединения частиц в трехмерный объект. Исследователи пытаются левитировать вещества в различных средах: воздухе, воде. Технологию планируется применять, в частности, для установки компонентов на печатные платы или при работе с химически агрессивными составами, например кислотами. Есть также вещества, которые могут быть нарушены при малейшем контакте с «недружественным» контрагентом. Акустическая левитация в данном случае также оптимальное решение.
Если разработке томских ученых будет суждено реализоваться, то это откроет обширные перспективы. Как в свое время самой технологии 3D-печати удалось снять множество барьеров, связанных с традиционным производством, так и прорабатываемые методы помогут обойти ограничения, характерные для существующих установок трехмерной печати. Ведь сейчас один из главных их недостатков – небольшой выбор «строительных» материалов.
Урок невесомости
Что мы знаем из школьной программы о природе звука? То, что это волна. Существует особый тип звуковой волны – так называемая стоячая. Она наблюдается при наложении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. В обычной жизни такие волны образуются, например, при игре на гитаре.
Стоячая волна формирует локальные области пониженного и повышенного давления, способные создавать своеобразные зоны невесомости. Это делает возможной акустическую левитацию.
Екатерина Козлова
