Ein Bienenflügel und ein Ameisenbein schweben frei in der Luft.

Bild: UTS

Schweben per Ultraschall Neue Fortschritte im Bereich akustische Levitation

02.12.2022

Schallwellen können verwendet werden, um kleine Objekte frei in der Luft schweben zu lassen. Die Technik ist nicht nur eine lustige Spielerei, sondern bietet auch Anwendungsmöglichkeiten für Forschung und Industrie. Ein Team aus zwei Universitäten hat gezeigt, wie sie sich gewinnbringend einsetzen lässt.

Bei der akustischen Levitation treten Schallwellen in Wechselwirkung und erzeugen eine stehende Welle mit Knotenpunkten, in denen ein Teilchen „gefangen“ werden kann. Die derzeitige mathematische Grundlage für die akustische Levitation geht dabei davon aus, dass das gefangene Teilchen eine (symmetrische) Kugel ist.

„Wir haben die Theorie so erweitert, dass sie auch asymmetrische Teilchen berücksichtigt, was für die Praxis besser geeignet ist“, sagt Hauptautor der neuen Studie Dr. Shahrokh Sepehrirahnama. Er arbeitet am Biogenic Dynamics Lab am UTS Centre for Audio, Acoustics and Vibration in Sydney. „Mithilfe einer Eigenschaft namens Willis-Kopplung zeigen wir, dass Asymmetrie die Kraft und das Drehmoment verändert, die während des Schwebens auf ein Objekt ausgeübt werden, und den Ort des Einfangens verlagert.“ Dieses Wissen ließe sich nutzen, um Objekte, die kleiner als eine Ultraschall-Wellenlänge sind, präzise zu kontrollieren oder zu sortieren.

„Im weiteren Sinne wird das von uns vorgeschlagene Modell, das auf Form und Geometrie basiert, die beiden im Trend liegenden Bereiche der berührungslosen Ultraschallmanipulation und der Metamaterialien (Materialien, die so konstruiert sind, dass sie eine Eigenschaft haben, die in der Natur nicht vorkommt) näher zusammenbringen“, fügt Sepehrirahnama hinzu.

Insektenflügel als Inspiration

Laut dem Leiter des Biogenic Dynamics Lab, Prof. Sebastian Oberst, könnte die Fähigkeit, winzige Objekte genau zu kontrollieren, ohne sie zu berühren, es ermöglichen, die dynamischen Materialeigenschaften von empfindlichen biologischen Objekten wie Insektenflügeln oder Ameisen- und Termitenbeinen zu untersuchen: „Wir wissen, dass Insekten faszinierende Fähigkeiten haben – Termiten sind extrem empfindlich für Vibrationen und können über diesen Sinn kommunizieren, Ameisen können ein Vielfaches ihres Körpergewichts tragen und dabei erheblichen Kräften widerstehen, und die filigrane Struktur von Honigbienenflügeln kombiniert Stärke mit Flexibilität. Ein besseres Verständnis der spezifischen Strukturdynamik dieser natürlichen Objekte – wie sie vibrieren oder Kräften widerstehen – könnte die Entwicklung neuer Materialien ermöglichen, die sich von der Natur inspirieren lassen und in Branchen wie dem Bauwesen, der Verteidigung oder der Entwicklung von Sensoren zum Einsatz kommen.“

Derzeit sei es allerdings sehr schwierig, die dynamischen Eigenschaften dieser biologischen Materialien zu beurteilen. „Wir haben nicht einmal die nötigen Werkzeuge, um sie zu halten“, sagt Oberst. „Wenn man sie berührt, können die Messungen gestört werden, und die Verwendung von berührungslosen Lasern kann Schäden verursachen.“ Die akustische Levitation kann hier weitreichende Potenziale liefern. Sie lässt sich laut dem Laborleiter dazu nutzen, „neue Materialprinzipien für die Entwicklung neuartiger akustischer Materialien zu extrahieren.“

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