3D-принтери створили голограми для акустичної левітації
Схема експерименту зі створення акустичного поля складної форми: друк голограми на 3D-принтері, зовнішній вигляд голограми та її створення поля коливань тиску в рідині
Акустична левітація - методика, в якій за допомогою звукових хвиль (вони ж є хвилями тиску, наприклад, у повітрі або у воді) вчені керують рухом частинок у просторі. Такі маніпуляції дозволяють працювати з об'єктами, яких з якоїсь причини не можна торкатися. Наприклад, за допомогою досить потужних джерел звуку можна досягти левітації крапель розплавленого металу. Для того щоб зафіксувати об'єкт, що левітується в просторі, необхідно створити стоячу акустичну хвилю. Розподіл тисків у ній ніби не змінюється згодом — змінюється лише амплітуда хвилі.
Експеримент з акустичної левітації крапель води
Dan Harris / Argonne National Laboratory / Flickr
Традиційно для акустичної левітації використовується пара джерел звуку, хвилі яких інтерферують, формуючи стоячу хвилю. Однак вона дозволяє керувати положенням частинок лише вздовж однієї осі. Якщо потрібно створити більш складні конструкції з об'єктів, що левітуються, інженери використовують масиви з декількох джерел звуку — інтерференція випромінювання призводить до виникнення полів тиску складної форми. Робота з такими системами потребує високої точності налаштування пристроїв — наприклад, їх робочі частоти мають збігатися, а становище джерел має бути чітко визначено. За допомогою такої техніки в 2015 році фізики створили «промінь, що притягує».
Альтернативою використанню великої кількості джерел звуку є акустична голографія. Її традиційний оптичний аналог дозволяє створювати складні світлові поля за допомогою одногоджерела світла (лазера) та спеціальної платівки. В останній записується інформація про напрям і фазу випромінювання, що падає на неї. Для створення лазерної голограми використовується лазер, частина випромінювання якого відбивається від об'єкта, що «записується», а частина прямо падає на фоточутливу пластинку. Результат інтерференції між цими лазерними пучками і записується в платівці.
Схема створення акустичної голограми
Kai Melde та ін. / Nature, 2016
На першому етапі створення голограми фізики моделювали інтерференційну картину, яка виникне при складанні звукового поля, що записується, і опорного акустичного випромінювання. Потім дослідники використовували тривимірну модель цієї картини для 3D друку голографічної платівки зі звичайного пластику. Для читання голограми платівку закріплювали на джерелі ультразвуку та поміщали під воду.
Автори перевірили працездатність методики на акустичних полях складної форми. Так, вченим вдалося створити стоячу хвилю, що повторює за формою «Голуб миру» Пабло Пікассо, і використовувати її для самозбирання частинок. Крім того, фізики показали, що за допомогою тієї ж техніки можна змусити частки рухатися певними траєкторіями і левітувати.
Рух частки в акустичному полі, створеному за допомогою голограми (видна під часткою)