Учёные из Института науки и технологий Австрии (ISTA) разработали способ удерживать отдельные микрочастицы в акустической ловушке, предотвращая их слипание. Ранее, при левитации нескольких частиц одновременно, они неизбежно слипались под действием сил, возникающих из-за рассеяния звука. Новое решение основано на использовании электростатического отталкивания между заряженными частицами.

Акустическая левитация — это метод, при котором объекты удерживаются в воздухе с помощью звуковых волн. В 2013 году Скотт Вайтукайтис, ныне профессор ISTA, заинтересовался применением акустической левитации для изучения различных физических явлений. Однако, существующий метод хорошо работал только для одиночных частиц. Если же в звуковое поле помещалось несколько частиц, то они слипались. Это явление, известное как «акустический коллапс», было серьёзным ограничением метода.

«Изначально мы пытались найти способ разделить левитирующие частицы, чтобы они формировали определённые повторяющиеся узоры», – рассказывает Су Ши, аспирантка группы Вайтукайтиса и главный автор исследования. Решением стало добавление электрического заряда к частицам. Электростатическое отталкивание, возникающее между одноимённо заряженными частицами, компенсирует силы притяжения, вызванные рассеянием звука.

Разработав метод зарядки частиц, команда обнаружила, что может регулировать заряд, чтобы заставить их левитировать в различных конфигурациях. Это включало полностью разделённые системы частиц, полностью схлопнувшиеся системы и «гибриды» между ними с как разделёнными, так и схлопнувшимися компонентами. Учёные также могли отталкивать частицы от заряженной нижней отражающей пластины установки для левитации, чтобы переключаться между различными конфигурациями.

В ходе экспериментов учёные обнаружили явления, которые не могли предвидеть. Некоторые сложные паттерны поведения указывали на наличие «невзаимных» взаимодействий, которые, казалось бы, «нарушают» третий закон Ньютона. Например, некоторые частицы спонтанно начинали вращаться, или пары частиц «преследовали» друг друга. «Строго говоря, третий закон Ньютона не может быть нарушен — дополнительный импульс, полученный частицами, теряется в звуке», – поясняют авторы. Теоретические работы предсказывали существование таких эффектов в акустически левитирующих системах, но наблюдения были невозможны из-за «акустического коллапса».

Новый метод открывает широкие возможности для манипулирования материей в воздухе и может найти применение в материаловедении, микроробототехнике и других областях, где требуется создание контролируемых динамических структур из малых элементов.