Zespół międzynarodowych naukowców prowadzony przez Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur) odkrył sposób na manipulowanie falami wodnymi, umożliwiając im pułapkę i precyzyjne przemieszczanie pływających przedmiotów-prawie tak, jakby prowadziła ich niewidzialna siła.
Metoda polega na generowaniu i łączeniu fal wody w celu tworzenia złożonych wzorów powierzchniowych, takich jak skręcanie pętli i wirujące wiry.
Eksperymenty laboratoryjne wykazały, że wzorce te mogą wciągnąć pobliskie pływające obiekty, takie jak małe piłki piankowe wielkości ziaren ryżu, i uwięzić je w wzorach.
Niektóre wzory działają jak pincety lub „wiązka ciągnika”, aby utrzymać pływające kulki na miejscu na powierzchni wody, aby nie odpływają. Inne powodują, że kule obracają się w swoich ośrodkach i dokładnie poruszają się wzdłuż okrągłej lub spiralnej ścieżki w wzorach.
W przeciwieństwie do zwykłych fal, wzory falowe pozostają stabilne, nawet gdy są zakłócone przez drobne fale zewnętrzne
Ta technika wykorzystuje rzeczywistą fizykę do kontrolowania i kształtowania fal wodnych, ale efekt przypomina wpływ niewidocznej siły poruszającej rzeczy, jako fikcji w popularnych programach i książkach.
Przełom, opublikowany w czasopiśmie naukowym Nature w dniu 5 lutego 2025 r., Otwiera możliwość używania fal wodnych na nowe sposoby.
Na przykład technikę można było opracować dalej, aby corral rozlane ciecze i chemikalia unoszące się na wodzie, aby ułatwić je oczyścić.
Metodę można również skalować, aby poprowadzić większe pływające obiekty i ewentualnie naczynia, wzdłuż pożądanej ścieżki na wodzie, nawet jeśli nie mają działających silników.
„Nasze ustalenia są pierwszym krokiem w badaniu, w jaki sposób fale wodne mogą być kształtowane w celu przemieszczania przedmiotów, z wieloma potencjalnymi zastosowaniami w przyszłości”-powiedział asystent profesor Shen Yijie, jeden ze współpracy badań ze szkoły fizycznej i matematycznej NTU Singapore oraz szkoły inżynierii elektrycznej i elektronicznej.
„Wykazaliśmy, że fale wodne mogą być stosowane do precyzyjnego przemieszczania pływających przedmiotów tak małych jak ziarna ryżu. Przyszłe badania mogą zbadać jeszcze mniejsze fale, takie jak te w skali komórek, które są setki razy mniejsze, a także znacznie większe fale morskie, które są tysiące razy większe” – dodał.
Lekcje z światła
Technika kształtowania fal wodnych została opracowana poprzez interdyscyplinarny wysiłek inspirowany wcześniejszą pracą Asst Prof Shen – wykorzystując fale światła do tworzenia złożonych struktur lub wzorów światła.
Jego zespół wcześniej wykazał, że małe zakłócenia nie łatwo zniszczyły te światła i mogły uwięzić małe cząsteczki, takie jak komórki drożdży i nanocząstki metalu, w nich. Dostosowując fale światła, cząsteczki utknięte w nich można również poruszać, jakby za pomocą niewidzialnej siły.
W swoich badaniach Asst prof. Shen zdał sobie sprawę, że ponieważ woda i światło mogą poruszać się jako fale, to, co jego zespół był w stanie osiągnąć dzięki falom lekkim, może być również możliwe dzięki falom wodnym.
Starał się pracować z naukowcami studiującymi fale lekkie, takich jak on i inni pracujący nad falami wodnymi, aby udowodnić swoją teorię. Jego największym wyzwaniem było ich przekonanie, ponieważ naukowcy z obu stron nie rozważali wcześniej jego pomysłów.
Asst prof. Shen ostatecznie zdobył współpracowników z Chin i Hiszpanii, a międzynarodowy zespół badawczy potwierdził swoją hipotezę poprzez eksperymenty.
Zespół po raz pierwszy przeprowadził symulacje komputerowe przed przeprowadzeniem eksperymentów laboratoryjnych w zbiorniku na wodę, w którym tworzyli fale przy użyciu różnych struktur plastikowych z nadrukiem 3D częściowo zanurzonym w wodzie.
Na przykład jedną z tych plastikowych struktur był pierścień podłączony do 24 rur wokół niego. Rurki były powiązane z głośnikami, które nudzały nisko nucące dźwięki, które spowodowały falowanie powierzchni wody w pierścieniu fale.
Naukowcy umieścili małą płynącą piłkę z pianki polietylenowej w zbiorniku na wodę i obserwowali, jak piłka poruszała się podczas wytwarzania fal. Kule o średnicy od 4,8 mm do 12,7 mm testowano za każdym razem. Naukowcy przetestowali również piłkę Ping Pong o średnicy 40 mm.
Dostosowując wielkość i częstotliwość fal wodnych i zmieniając, czy niektóre fale poruszały się z innymi, naukowcy spowodowały, że fale zakłócały, nakładały się i scalały, aby wytworzyć złożone wzory na powierzchni wody.
Wzory te uwięziały w nich pływającą piłkę, powodując, że jest jej trzymana prawie stacjonarna lub obracała się i porusza dokładnie wzdłuż okrągłej lub spiralnej ścieżki we wzorach, odchylając się co najwyżej 2-4 mm od ścieżki.
„Jeśli mamy pływający obiekt trzymany na swoim miejscu we wzorach wodnych, możemy również być w stanie dostosować fale do poruszania wzorów i uwięzionych w nich obiektów. Może to dać nam sposób na przeniesienie tych obiektów do określonych plam na ciele wody”, powiedział Asst Prof Shen, powołując się na podobne obserwacje dla lekkich fal.
Ogromny potencjalny wpływ
Jego zespół planuje dalej pracować nad ustaleniem, czy wzorce wody mogą być utworzone pod wodą, a nie tylko na powierzchni, aby przenosić zanurzone obiekty.
Naukowcy zamierzają również zmniejszyć technikę fali wodnej do poziomu mikrometru, aby zbadać, czy wzorce wody na powierzchni mogą być stosowane jak pincety do precyzyjnego przenoszenia komórek i cząstek o podobnej wielkości. Może to pozwolić na zbliżenie cząstek w celu eksperymentów bez użycia sprzętu do ich dotknięcia.
Technikę można również skalować, aby zbadać, czy łodzie można kierować do określonego miejsca, czy wzdłuż pożądanej ścieżki na wodzie. Naukowcy musieliby wziąć pod uwagę zaburzenia fal naturalnych na morzu, które mogłyby zniszczyć wzorce wody, jeśli te fale morskie są zbyt silne.
Ponieważ wzorce wodne nie są łatwo zakłócone, przyszłe badania mogą zbadać wykonalność wykorzystania ich do przechowywania danych, takich jak przechowywanie informacji komputerowych. Sposób, w jaki woda wiruje we wzorach, jest również podobny do tego, w jaki sposób mogą zachowywać się fale światła i elektrony, co sugeruje, że fale wodne można zbadać jako bardziej dostępny wskaźnik zastępczy do zbadania niektórych zjawisk kwantowych widocznych w falach światła i elektronach.
Niezależny i anonimowy recenzent artykułu przyrodniczego napisał, że badanie może mieć „potencjalny ogromny wpływ… ze względu na jego podstawowy charakter” z „szerokim zakresem dziedzin, które mogą skorzystać z tej pracy”.
Inny recenzent powiedział, że artykuł „przedstawia bardzo ekscytujące wyniki, które mogą zapewnić cenne wgląd w stosowanie fal wodnych lub podobnych fal płynnych do manipulowania ruchem cząstek w różnych skalach”.