Аэродинамическая левитация

Подвешивание объектов с использованием давления газа

Аппарат аэродинамической левитации: сферический образец плавает в потоке газа, протекающем через коническое сопло. Образец нагревается CO ₂ -лазером, а температура измеряется по яркости образца пирометром.

Здесь световой шар парит в воздушном потоке, создаваемом вентилятором в квадратном ящике.

Аэродинамическая левитация — это использование давления газа для поднятия материалов в воздух, чтобы они больше не находились в физическом контакте с каким-либо контейнером. В научных экспериментах это устраняет проблемы загрязнения и нуклеации, связанные с физическим контактом с контейнером.

Обзор

Термин «аэродинамическая левитация» можно применить ко многим объектам, которые используют давление газа для противодействия силе гравитации и обеспечивают стабильную левитацию . Вертолеты и шайбы для аэрохоккея — два хороших примера объектов, которые аэродинамически левитируют. Однако в последнее время этот термин также стал ассоциироваться с научным методом, в котором используется конусообразная насадка, обеспечивающая стабильную левитацию сферических образцов диаметром 1–3 мм без необходимости использования механизмов активного управления. ^[1]

Аэродинамическая левитация как научный инструмент

Эти системы позволяют поднимать сферические образцы путем пропускания газа через расширяющееся коническое сопло. Сочетание этого с непрерывным нагревом CO ₂ лазером мощностью > 200 Вт позволяет достичь температуры образца, превышающей 3000 градусов Цельсия.

При нагревании материалов до таких чрезвычайно высоких температур левитация в целом дает два ключевых преимущества по сравнению с традиционными печами. Во-первых, устраняется загрязнение, которое в противном случае могло бы произойти из твердого контейнера. Во-вторых, образец можно переохладить, то есть охладить ниже нормальной температуры замерзания, но при этом фактически не заморозить.

Переохлаждение жидких образцов

Переохлаждение или переохлаждение — это охлаждение жидкости ниже ее равновесной температуры замерзания, при этом она остается жидкостью. Это может произойти везде, где подавлено зарождение кристаллов. В левитирующих образцах гетерогенное зарождение подавляется из-за отсутствия контакта с твердой поверхностью. Методы левитации обычно позволяют охлаждать образцы на несколько сотен градусов ниже их равновесной температуры замерзания.

Стекло, полученное методом аэродинамической левитации

Поскольку зарождение кристаллов подавляется левитацией и не ограничивается проводимостью образца (в отличие от электромагнитной левитации), аэродинамическую левитацию можно использовать для изготовления стеклообразных материалов из высокотемпературных расплавов, которые невозможно получить стандартными методами. Было изготовлено несколько стекол на основе оксида алюминия, не содержащих кремнезема. ^{[2] [3] [4]}

Измерения физических свойств

За последние несколько лет был также разработан ряд методов измерения на месте . Следующие измерения могут быть выполнены с различной точностью:

электропроводность , вязкость , ^[5] плотность , поверхностное натяжение , ^[6] удельная теплоемкость ,

Аэродинамическая левитация на месте также сочеталась с:

Рентгеновское синхротронное излучение , рассеяние нейтронов , ЯМР-спектроскопия

Смотрите также

• Магнитная левитация
• Электростатическая левитация
• Оптическая левитация
• Акустическая левитация

дальнейшее чтение

• Прайс, ДЛ (2010). Высокотемпературные левитирующие материалы . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0521880527.

Рекомендации

1. Пол К. Нордин; Дж. К. Ричард Вебер и Йохан Г. Абади (2000), «Свойства высокотемпературных расплавов с использованием левитации», Pure and Applied Chemistry , 72 (11): 2127–2136, doi : 10.1351/pac200072112127
2. Дж. К. Ричард Вебер; Жан А. Тангеман; Томас С. Ки; Кирстен Дж. Хиера; Поль-Франсуа Паради; Такэхико Исикава; и другие. (2002), «Новый синтез стекол из оксида кальция и оксида алюминия», Японский журнал прикладной физики , 41 (5A): 3029–3030, Бибкод : 2002JaJAP..41.3029W, doi : 10.1143/JJAP.41.3029
3. Дж. К. Ричард Вебер; Йохан Г. Абади; Эйприл Д. Хиксон; Пол С. Нордин; Грегори А. Джерман (2004), «Стеклообразование и полиаморфизм в композициях оксид редкоземельных металлов и оксид алюминия», Журнал Американского керамического общества , 83 (8): 1868–1872, номер документа : 10.1111/j.1151-2916.2000. tb01483.x
4. Л. Б. Скиннер; AC Barnes & W. Crichton (2006), «Новое поведение и структура новых стекол типа Ba–Al–O и Ba–Al–Ti–O, полученных методом аэродинамической левитации и лазерного нагрева», Журнал физики: Condensed Matter , 18 (32): L407–L414, Bibcode : 2006JPCM...18L.407S, doi : 10.1088/0953-8984/18/32/L01, PMID  21690853
5. Кондо, Тошики; Мута, Хироаки; Куросаки, Кен; Каргл, Флориан; Ямаджи, Акифуми; Фуруя, Масахиро; Оиси, Юдзи (июль 2019 г.). «Плотность и вязкость жидкого ZrO2, измеренные методом аэродинамической левитации». Гелион . 5 (7): e02049. doi :10.1016/j.heliyon.2019.e02049. ПМЦ 6658727 . 
6. Сунь, Ифань; Мута, Хироаки; Оиси, Юдзи (июнь 2021 г.). «Новый метод измерения поверхностного натяжения: метод падения-отскока». Наука и технология микрогравитации . 33 (3): 32. дои : 10.1007/s12217-021-09883-7 .