Les chercheurs d'UCicago ont réalisé la lévitation d'objets macroscopiques entre des plaques chaudes et froides dans une chambre à vide. Crédit :Jean Lachat
Bien que les scientifiques aient été capables de faire léviter des types spécifiques de matériaux, une paire d'étudiants en physique de premier cycle à UChicago a aidé à porter la science à un nouveau niveau.
Frankie Fung en troisième année et Mykhaylo Usatyuk en quatrième année ont dirigé une équipe de chercheurs d'UCicago qui ont démontré comment faire léviter une variété d'objets :des sphères en céramique et en polyéthylène, bulles de verre, particules de glace, brins de peluche et graines de chardon—entre une assiette chaude et une assiette froide dans une chambre à vide.
"Ils ont fait beaucoup d'observations intrigantes qui m'ont époustouflé, " dit Cheng Chin, professeur de physique, dont le laboratoire ultrafroid du Gordon Center for Integrative Science abritait les expériences.
Dans leur travail, les chercheurs ont réalisé un certain nombre de percées en lévitation, en terme de durée, orientation et méthode :La lévitation a duré plus d'une heure, au lieu de quelques minutes; la stabilité a été obtenue radialement et verticalement, par opposition à juste verticalement ; et il utilisait un gradient de température plutôt que la lumière ou un champ magnétique. Leurs conclusions sont apparues le 20 janvier dans Lettres de physique appliquée .
"La lévitation magnétique ne fonctionne que sur les particules magnétiques, et la lévitation optique ne fonctionne que sur des objets qui peuvent être polarisés par la lumière, mais avec notre méthode unique en son genre, nous démontrons une méthode pour faire léviter des objets génériques, " dit Chin.
Mykhaylo Usatyuk en quatrième année (à gauche) et Frankie Fung en troisième année. Crédit :Jean Lachat
Dans l'expérience, la plaque de cuivre inférieure a été maintenue à température ambiante tandis qu'un cylindre en acier inoxydable rempli d'azote liquide maintenu à une température négative de 300 degrés Fahrenheit a servi de plaque supérieure. Le flux ascendant de chaleur de la plaque chaude vers la plaque froide maintenait les particules en suspension indéfiniment.
"Le grand gradient de température conduit à une force qui équilibre la gravité et entraîne une lévitation stable, " dit Fung, l'auteur principal de l'étude. "Nous avons réussi à quantifier la force thermophorétique et avons trouvé un accord raisonnable avec ce qui est prédit par la théorie. Cela nous permettra d'explorer les possibilités de faire léviter différents types d'objets." (La thermophorèse fait référence au mouvement des particules au moyen d'un gradient de température.)
"Notre meilleure compréhension de la force thermophorétique nous aidera à étudier les interactions et les affinités de liaison entre les particules que nous avons observées, " dit Ousatiuk, un co-auteur de l'étude. « Nous sommes enthousiasmés par les futures directions de recherche que nous pouvons suivre avec notre système. »
La clé pour obtenir une stabilité élevée en lévitation est la conception géométrique des deux plaques. Un bon rapport entre leurs tailles et leur espacement vertical permet à l'air chaud de circuler et de capturer efficacement les objets en lévitation lorsqu'ils s'éloignent du centre. Un autre facteur de sensibilité est que le gradient thermique doit pointer vers le haut - même un désalignement d'un degré réduira considérablement la stabilité de la lévitation.
"Seulement dans une plage de pression étroite, gradient de température et facteurs géométriques de la plaque pouvons-nous atteindre une lévitation stable et longue, " a déclaré Chin. " Différentes particules nécessitent également un réglage fin des paramètres. "
Les chercheurs ont réussi à faire léviter des peluches parmi d'autres particules. Crédit:Chin Lab
L'appareil offre une nouvelle plate-forme au sol pour étudier la dynamique de l'astrophysique, systèmes chimiques et biologiques dans un environnement de microgravité, selon les chercheurs.
La lévitation de particules macroscopiques dans le vide est particulièrement intéressante en raison de ses larges applications dans l'espace, recherches atmosphériques et astro-chimiques. Et la thermophorèse a été utilisée dans les précipitateurs thermiques d'aérosols, la sûreté des réacteurs nucléaires et la fabrication de fibres optiques par des procédés de dépôt sous vide, qui appliquent des couches progressives d'atomes ou de molécules lors de la fabrication.
La nouvelle méthode est importante car elle offre une nouvelle approche pour manipuler de petits objets sans les contacter ou les contaminer, dit Thomas Witten, le professeur émérite de physique Homer J. Livingston. « Il offre de nouvelles voies pour l'assemblage en masse de pièces minuscules pour les systèmes micro-électro-mécaniques, par exemple, et pour mesurer de petites forces au sein de tels systèmes.
"Aussi, cela nous oblige à réexaminer comment « les gaz entraînés, ' tels que les gaz entraînés par le flux de chaleur, peut différer des gaz ordinaires, ", a-t-il ajouté. "Les gaz entraînés promettent de créer de nouvelles formes d'interaction entre les particules en suspension."
La lévitation des matériaux dans les expériences au sol fournit une plate-forme idéale pour l'étude de la dynamique des particules et des interactions dans un environnement isolé vierge, le papier a conclu. Le laboratoire de Chin cherche maintenant à faire léviter des substances macroscopiques d'une taille supérieure à un centimètre, ainsi que la façon dont ces objets interagissent ou s'agrègent dans un environnement en apesanteur. « Il existe de nombreuses opportunités de recherche auxquelles nos talentueux étudiants de premier cycle peuvent contribuer, " dit Chin.
