Фізики з Університету Аальто змусили важкі намистинки зібратися в пучностях стоячої акустичної хвилі, збудженої в плоскій платівці. Для цього вчені налили на поверхню платівки воду, яка не дозволяла частинкам відірватися від платівки. Розглядаючи середню силу, що діє на намистинки при різних частотах, дослідники навчилися переміщати їх по заданій траєкторії. Потенційно розробка вчених може стати в нагоді для біологічних і медичних досліджень, складання мікросистем і тканин. Стаття опублікована в, коротко про неї розповідає.
У 1787 році німецький фізик Ернст Хладні (Ernst Chladni) виявив, що пісок, насипаний на плоску металеву пластину, збирається в химерні візерунки, якщо провести по краю пластини смичком. Свої дослідження вчений ретельно записав, а отримані візерунки замалював і опублікував у книзі «Відкриття в теорії звуку» (Entdeckungen über die Theorie des Klanges). Якісно це явище пояснив майже півстоліття потому англійський фізик Майкл Фарадей.
Щоб це пояснення було наочніше, замінимо четверту пластину одномірною струною. Якщо закріпити один з кінців струни, а другий трясти з постійною частотою, в струні збудиться стояча хвиля, частота якої пов'язана з частотою збудження. При цьому в деяких точках, які називають пучностями, амплітуда коливань струни буде максимальною, а в інших точках - вузлах - струна взагалі не буде рухатися. Якщо помістити піщинку у вузол, вона буде стояти на місці, ніби ніяких коливань немає; якщо ж трохи відсунути її від цього положення, під дією вібрацій вона буде підскакувати і зміщуватися вздовж струни. Отже, за досить довгий проміжок часу всі піщинки зберуться у вузлах. У четвертому випадку положення пучностей і вузлів пов'язане з частотою збудження набагато складніше, ніж в одномірному, проте суть залишається колишньою, і з часом важкі частинки дрейфують до нерухомих точок.
Фарадей також зауважив, що це пояснення працює тільки для масивних частинок, для яких можна знехтувати опором повітря. В іншому випадку частинки зовсім не збираються у вузлах стоячої хвилі, а навпаки, прагнуть до пучностей. Цю поведінку фізик пояснював потоками повітря, які збуджують коливання пластини. З моменту цього пояснення пройшло вже майже двісті років, і протягом цього періоду всі експерименти підтверджували закономірність, встановлену Фарадеєм.
Однак дослідники під керівництвом Цюань Чжоу (Quan Zhou) по-новому подивилися на класичний експеримент і все-таки змусили важкі частинки зібратися в пучностях. Для цього вчені налили на поверхню пластини воду. Як частинки фізики використовували скляні намистинки діаметром близько 0,75 міліметра, як поверхню - тонку кремнієву платівку розміром 5 ст.15 сантиметрів. Щоб домогтися кращого контролю, вчені збуджували платівку не смичком, а п'єзоелектричним актуатором, що працює з частотою від 523 до 29834 герц. Рух бусинок вчені записували на камеру з частотою 42 кадри на секунду.
Перш ніж ставити експеримент, фізики розрахували рух частинок теоретично. Оскільки рідина не дозволяла намистинкам відірватися від поверхні, для простоти вчені розглядали тільки поздовжні рухи частинок. Крім того, дослідники нехтували акустофоретичними силами (тобто акустичною левітацією) через велику масу частинок. У результаті рухом бусинок керувало тільки дві сили. Перша сила - це сила тяжкості (частинка хоче скотитися в ямку, яка виникає на місці пучності). Друга сила пов'язана безпосередньо з коливаннями платівки (матеріал відштовхує намистинку). Акуратно розглядаючи обидві сили і усереднюючи їх за період, багато більше періоду коливань платівки, дослідники виявили, що їх результуюча завжди спрямована в бік пучностей. Спостереження за реальними частинками, насипаними на вібруючу платівку, підтвердили передбачення. Варто зазначити, що ці міркування не працюють, якщо частинки рухаються в повітрі: в цьому випадку намистинки можуть підстрибувати, а тому усереднювати сили потрібно по-іншому.
Більш того, вчені скористалися отриманими результатами, щоб спрямовано переміщати частинки площиною. Для цього фізики розрахували картину усереднених сил, що діють на намистинку в різних точках площини при фіксованій частоті. Всього вчені розглянули 71 частоту, розставлену за хроматичною музичною шкалою (тобто ноти). Деякі з цих частот відповідали «чистим» резонансним коливанням платівки, інші - нерезонасним коливанням, змішаним з декількох «чистих» коливань. Щоб перевірити теоретичні розрахунки, для кожної ноти фізики 25 разів вимірювали усталений розподіл частинок, в середньому отримуючи 3800 експериментальних точок. Нарешті, використовуючи отримані знання і подаючи на акутатор розраховані на комп'ютері сигнали, дослідники навчилися керувати силою, яка діє на частинку відповідно до її положення. В результаті вченим вдалося провести намистинку через уявний лабіринт, змусити дві намистинки одночасно виписати букви «L» і «C», а також розділити зграйку бусинок на дві рівні частини.
Вчені підкреслюють, що їхня робота становить не тільки теоретичний, а й практичний інтерес. Зокрема, запропонований метод контролю частинок, розсипаних по платівці, може стати в нагоді в біологічних і медичних дослідженнях, у збірці мікросистем і тканин. Важливо, що цей метод однаково добре працює для важких і легких частинок, не обмежується фіксованим набором частот, гнучок і дуже простий (для нього необхідний всього один актуатор). Більшість методів маніпуляції частинками такими достоїнствами не володіють.
У січні 2017 року фізики з Кембриджського Університету використовували вібрації пластини, щоб створити аналог оптичної частотної гребінки - особливого типу випромінювання, спектр якого складається з великого числа окремих рівновіддалених ліній. Правильно підбираючи частоту випромінювання, вчені побачили, що реакція пластини в місцях з найбільшою амплітудою руху має форму частотної гребінки - наприклад, при вхідній частоті 3,862 мегагерц у спектрі вібрації виникало кілька піків, що відстоять на 2,6 кілогерця. Варто зазначити, що відкриття фізики зробили випадково, хоча подібні пристрої на той момент вже були передбачені.