Científicos han desarrollado un método que ayuda a afinar el control de partículas usando ondas ultrasónicas, según una nueva investigación que dicen amplía nuestra comprensión de la campo de levitación acústica.
Levitación acústica. Crédito: MysteryPlanet.com.ar.
La levitación de objetos, que antes era algo visto solo en la ciencia ficción y la fantasía, ahora representa un campo de la acústica con aplicaciones prácticas en múltiples áreas de investigación, industrias e incluso entre aficionados.
El fenómeno ocurre cuando las ondas de sonido interactúan y crean una onda estacionaria, con nodos que pueden «atrapar» una partícula. La base matemática actual para la levitación acústica —la teoría fundamental de la acustoforesis de Gorkov— asume que la partícula atrapada es una esfera.
Pero una nueva investigación, llevada a cabo por científicos de la Universidad Tecnológica de Sídney (UTS) y la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW), ha demostrado que para controlar con precisión una partícula mediante ondas ultrasónicas, es necesario también considerar las formas asimétricas y el impacto que esto tiene en el campo acústico.
«Los modelos teóricos anteriores solo han considerado partículas simétricas. Hemos ampliado la teoría para dar cuenta de las partículas asimétricas, que es más aplicable a la experiencia del mundo real», dijo el autor principal, el Dr. Shahrokh Sepehrirahnama del Laboratorio de Dinámica Biogénica en el Centro de Audio, Acústica y Vibración de la UTS.
«Usando una propiedad llamada acoplamiento de Willis, mostramos que la asimetría cambia la fuerza y el par ejercido sobre un objeto durante la levitación y cambia la ubicación de “atrapamiento”. Este conocimiento se puede utilizar para controlar o clasificar con precisión objetos que son más pequeños que una longitud de onda de ultrasonido», explicó.
«En un sentido más amplio, nuestro modelo propuesto basado en la forma y la geometría acercará los dos campos de tendencia de la manipulación ultrasónica sin contacto y los metamateriales —materiales diseñados para tener una propiedad que no se encuentra en la naturaleza—», agregó.
Materiales biológicos
Por otra parte, la capacidad de controlar con precisión objetos diminutos sin tocarlos podría permitir a los investigadores estudiar las propiedades dinámicas de los materiales de objetos biológicos sensibles, como alas de insectos, hormigas y patas de termitas.
«Sabemos que los insectos tienen habilidades fascinantes: las termitas son extremadamente sensibles a las vibraciones y pueden comunicarse a través de este sentido, las hormigas pueden cargar muchas veces su peso corporal y resistir fuerzas significativas, y la estructura de filigrana de las alas de las abejas combina fuerza y flexibilidad», detalló el jefe del laboratorio de dinámica biogénica, el profesor asociado Sebastian Oberst.
Levitación de una pata de hormiga y un ala de abeja. Crédito: Centro UTS de Acústica de Audio y Vibración.
«Una mejor comprensión de la dinámica estructural específica de estos objetos naturales —cómo vibran o resisten las fuerzas— podría permitir el desarrollo de nuevos materiales, basados en la inspiración de la naturaleza, para su uso en industrias como la construcción, la defensa o el desarrollo de sensores».
Los investigadores se han centrado en tratar de comprender las propiedades mecánicas de los órganos sensores de las termitas para luego construir e innovar sensores de vibración hipersensibles. Hace poco identificaron detalles estructurales del órgano subgenual —ubicado en la pata de una termita— que puede sentir microvibraciones.
«Actualmente es muy difícil evaluar las propiedades dinámicas de estos materiales biológicos. Ni siquiera tenemos las herramientas necesarias para sostenerlos. Tocarlos puede interrumpir las mediciones y el uso de láseres sin contacto puede causar daños», explicaron. «Entonces, la aplicación de gran alcance de esta investigación teórica actual es usar análisis sin contacto para extraer nuevos principios para desarrollar materiales acústicos novedosos».
La investigación acaba de ser publicada en la revista Physical Review Letters.
