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热悬浮技术,无论金属、塑料还是有机体,任何材质都浮得起来

时间: 2017年02月27日 | 作者: admin | 来源: 芝加哥大学
芝加哥大学的研究人员利用金属板之间的温度差,实现了宏观物体的悬浮。


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你或许觉得让物体悬浮并不稀奇,科学家早已能够悬浮起特定种类的材料,不过,芝加哥大学的两位本科生又把这种技术推向了新的水平。

 

由三年级本科生Frankie Fung与四年级本科生Mykhaylo Usatyuk带领的芝加哥大学研究团队利用真空腔中金属板之间的温度差,在两块金属板之间悬浮起了各种各样的物体,例如陶瓷球、聚乙烯球、玻璃泡、冰粒、棉线、蓟花种子等等。

 

这项研究成果主要是在戈登综合科学中心超冷实验室(ultracold lab in the Gorden Center for Integrative Science)完成的。掌管该实验室的物理学教授Cheng Chin评价说:“他们的成果很有意思,让我感到非常惊喜。”

 

这项工作在悬浮时长、方向、方法等多个方面都取得了突破性进展:时长上,相比与以往悬浮时长仅几分钟的技术,该技术能够保持一小时以上的悬浮;方向上,该技术既能从径向又能从纵向控制住悬浮稳定性,而以往则只能实现纵向控制;方法上,该技术采用了温度梯度,以替代以往研究中的光或磁场。这项工作发表在了今年1月20日的《应用物理快报》(Applied Physics Letter)上。

 

Chin说:“磁悬浮只能用于磁性颗粒,光悬浮则只能用于能被光极化的物体,但这种全新的热悬浮技术能够让普通物体都悬浮起来,这是史无前例的。”

 

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Mykhaylo Usatyuk(左)与Frankie Fung(右)。

图片来源:Jean Lachat

 

在实验里,铜板放在下方,保持室温,而上方的不锈钢柱里则灌满了液氮,温度保持在-300℉(约-184℃)。这样一来,热就会从下方温度高的铜板流向上方温度低的不锈钢柱,从而保持颗粒的持续悬浮。

 

该文章的第一作者Fung说:“大温度梯度所产生的力可以平衡重力,实现物体的稳定悬浮。我们定量测算了热泳力,定量结果与理论预测值吻合得很好,这让我们的后续工作成为可能,让我们能够进一步研究不同种类物体的悬浮。”(热泳是指颗粒在温度梯度的作用下进行运动的现象。)

 

另一位作者Usatyuk说:“我们更进一步地了解了热泳力,这将会有助于我们进一步研究悬浮颗粒间的相互作用与亲和力。在未来,我们可以继续深入研究该悬浮系统,这些研究方向让我非常兴奋。”

 

高悬浮稳定性的关键就在于两块板的几何设计。在板尺寸与板间垂直距离之比合适的情况下,温度较高的空气就会流动,在悬浮物体要远离中心的时候,流动的空气就能有效地捕捉住这些悬浮物体,使其保持稳定。要想保持高悬浮稳定性,还需要保证热梯度是垂直向上的,哪怕是1度的偏差也会大大降低悬浮稳定性。

 

Chin说:“为了保持长时间的悬浮稳定性,我们需要把压力、温度梯度、板几何参数控制在一个很窄的范围之内。对于不同颗粒而言,我们也要微调这些参数。”

 

研究人员表示,该装置可以用作新型陆地平台(ground-platform),帮助研究人员探索天体物理学、化学、生物学等系统中的动态过程。

 

因其在空间、大气与天体化学研究中的广泛应用,科学家对宏观物体在真空环境下的悬浮很感兴趣。此外,热泳现象已经在气溶胶热沉淀器(aerosol thermal precipitator)、核反应堆安全性、光纤的真空沉积法制备中取得了应用,能够在制备过程中慢慢累积原子层或分子层。

 

芝加哥大学的物理学荣誉教授Thomas Witten认为,这种新的悬浮方法具有重要意义,因为这种方法能够在无接触、无污染的条件下操纵物体。“例如,在微机电系统方面,这种方法开辟了大批量组装微小零件的新方法,而且还能测量这些系统中非常小的力。”

 

他补充道:“该研究也促使我们去探讨‘从动气体(driven gas)’与一般气体究竟有何区别,‘从动气体’在这里指的是由热流等因素驱动的气体。‘从动气体’有望用于在悬浮颗粒之间建立起新形式的相互作用。”

 

这篇论文总结说,陆地上的物体悬浮实验可以为研究人员提供理想平台,用于研究颗粒在纯净、孤立环境下的动力学与相互作用过程。目前,Chin实验室正在研究如何悬浮起尺寸大于1厘米的宏观物体。同时,他们也在探讨物体在无重力环境下是如何发生相互作用或聚集起来的。Chin说:“在这一领域还有很丰富的研究机会,我们的本科生很有天赋,他们可以在这些研究机会中发挥他们的才能。”

 

原文链接:

https://news.uchicago.edu/article/2017/02/14/new-method-uses-heat-flow-levitate-variety-objects


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