Embora os cientistas tenham conseguido levitar tipos específicos de material, dois alunos de graduação em física da UChicago ajudaram a levar a ciência a um novo nível.

Frankie Fung do terceiro ano e Mykhaylo Usatyuk do quarto ano lideraram uma equipe de pesquisadores da UChicago que demonstraram como levitar uma variedade de objetos - esferas de cerâmica e polietileno, bolhas de vidro, partículas de gelo, fios de fiapos e sementes de cardo - entre um prato quente e um prato frio em uma câmara de vácuo.

"Eles fizeram muitas observações intrigantes que me surpreenderam, "disse Cheng Chin, professor de física, cujo laboratório ultracold no Gordon Center for Integrative Science abrigava os experimentos.

Em seu trabalho, pesquisadores alcançaram uma série de avanços na levitação, em termos de duração, orientação e método:a levitação durou mais de uma hora, em oposição a alguns minutos; a estabilidade foi alcançada radialmente e verticalmente, em oposição a apenas verticalmente; e usava um gradiente de temperatura em vez de luz ou campo magnético. Suas descobertas apareceram em 20 de janeiro em Cartas de Física Aplicada .

"A levitação magnética só funciona em partículas magnéticas, e a levitação óptica só funciona em objetos que podem ser polarizados pela luz, mas com nosso método primeiro de seu tipo, demonstramos um método para levitar objetos genéricos, "disse Chin.

No experimento, a placa de cobre inferior foi mantida à temperatura ambiente, enquanto um cilindro de aço inoxidável cheio de nitrogênio líquido mantido a 300 graus Fahrenheit negativos serviu como a placa superior. O fluxo ascendente de calor da placa quente para a fria mantinha as partículas suspensas indefinidamente.

"O grande gradiente de temperatura leva a uma força que equilibra a gravidade e resulta em levitação estável, "disse Fung, o principal autor do estudo. "Conseguimos quantificar a força termoforética e encontramos uma concordância razoável com o que é previsto pela teoria. Isso nos permitirá explorar as possibilidades de levitar diferentes tipos de objetos." (A termoforese se refere ao movimento de partículas por meio de um gradiente de temperatura.)

"Nossa maior compreensão da força termoforética nos ajudará a investigar as interações e afinidades de ligação entre as partículas que observamos, "disse Usatyuk, um co-autor do estudo. "Estamos entusiasmados com as futuras direções de pesquisa que podemos seguir com nosso sistema."

A chave para obter alta estabilidade de levitação é o desenho geométrico das duas placas. Uma proporção adequada de seus tamanhos e espaçamento vertical permite que o ar quente flua ao redor e capture com eficiência os objetos levitados quando eles se afastam do centro. Outro fator de sensibilidade é que o gradiente térmico precisa estar apontando para cima - mesmo um desalinhamento de um grau reduzirá muito a estabilidade da levitação.

"Apenas dentro de uma faixa estreita de pressão, gradiente de temperatura e fatores geométricos da placa podemos alcançar levitação estável e longa, "Chin disse." Partículas diferentes também requerem um ajuste fino dos parâmetros.

O aparelho oferece uma nova plataforma terrestre para investigar a dinâmica da astrofísica, sistemas químicos e biológicos em um ambiente de microgravidade, de acordo com os pesquisadores.

A levitação de partículas macroscópicas no vácuo é de particular interesse devido às suas amplas aplicações no espaço, pesquisa atmosférica e astroquímica. E a termoforese tem sido utilizada em precipitadores térmicos de aerossol, segurança do reator nuclear e fabricação de fibras ópticas por meio de processos de deposição a vácuo, que aplicam camadas progressivas de átomos ou moléculas durante a fabricação.

O novo método é significativo porque oferece uma nova abordagem para manipular pequenos objetos sem contatá-los ou contaminá-los, disse Thomas Witten, o Homer J. Livingston Professor Emérito de Física. "Ele oferece novos caminhos para a montagem em massa de peças minúsculas para sistemas microeletromecânicos, por exemplo, e medir pequenas forças dentro de tais sistemas.

"Também, nos obriga a reexaminar como os gases impulsionados, 'como gases impulsionados pelo fluxo de calor, podem diferir dos gases comuns, "Ele acrescentou." Os gases impulsionados prometem criar novas formas de interação entre as partículas suspensas. "

A levitação de materiais em experimentos baseados em solo fornece uma plataforma ideal para o estudo da dinâmica de partículas e interações em um ambiente imaculado e isolado, o artigo concluiu. O laboratório de Chin agora está estudando como levitar substâncias macroscópicas com mais de um centímetro de tamanho, e também como esses objetos interagem ou se agregam em um ambiente sem peso. "Existem amplas oportunidades de pesquisa para as quais nossos talentosos alunos de graduação podem contribuir, "Chin disse.