Ученые из Института науки и технологий Австрии нашли способ решить главную проблему акустической левитации — «акустический коллапс», когда несколько парящих в звуковом поле частиц неизбежно притягиваются друг к другу и слипаются в один комок. Добавление электрического заряда позволяет удерживать частицы на расстоянии и даже формировать устойчивые структуры, ранее невозможные. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Акустическая левитация удерживает частицы в воздухе с помощью стоячей звуковой волны: в узлах волны создаются точки давления, где небольшой объект может «парить». Но если частиц несколько, отраженный от них звук вызывает притяжение — и вся конструкция мгновенно схлопывается.
Команда под руководством Скотта Вайтукайте нашла элегантное решение: зарядить частицы и использовать электростатическое отталкивание как противовес звуковым силам. Настроив уровень заряда, исследователи смогли получить различные режимы — от полностью разобщенных частиц до гибридных структур, где часть частиц остается разнесенной, а часть образует скопления.
Управлять конфигурациями ученые научились необычным способом — «подбрасывая» частицы при помощи нижней отражающей пластины, которую можно заряжать. Это позволяет переключать структуры на лету.
Когда частицы удалось удержать на расстоянии, перед исследователями открылся совершенно новый физический ландшафт. В некоторых конфигурациях объекты начинали вращаться сами собой или образовывали пары, где одна частица «преследовала» другую. Формально это выглядит как нарушение третьего закона Ньютона — силы между объектами оказываются не равны и не противоположны. На деле избыточный импульс уходит в звуковое поле, но сами эффекты еще недавно были недоступны наблюдению: частицы попросту не удавалось разделить.
Теперь же у физиков появилась платформа, позволяющая изучать несимметричные взаимодействия, которые важны для понимания нестандартных динамических систем — от активной материи до миниатюрных роботов.
Авторы считают, что их метод может найти применение в материаловедении, микроробототехнике и создании адаптивных структур из множества мелких элементов, которые можно собирать прямо в воздухе.
Ранее ученые предложили неожиданный способ для строительства на Марсе.