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芝加哥大学研发能使任何材质都浮得起来的热悬浮技术
李明 2017-03-03
导语

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。

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》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。”

图:Mykhaylo Usatyuk(左)与Frankie Fung(右)。

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。)

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。

文章链接:

Frankie Fung, Mykhaylo Usatyuk, B. J. DeSalvo and Cheng Chin, Stable thermophoretic trapping of generic particles at low pressures,” Applied Physics Letters, Jan. 20, 2017. DOI 10.1063/1.4974489

(本文来源: 芝加哥大学、环球科学)

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  • 热悬浮技术
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柏岩[北京航空航天大学]

444天前 | 回复
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作者 李明

博士生

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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