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Galleggiando sull'onda

La levitazione di corpi materiali, il fenomeno per il quale un oggetto può librarsi nell’aria, in apparente assenza di peso, viene investigata da secoli e ha attratto l’interesse di molti scienziati, tra i quali diversi vincitori di premi Nobel. La levitazione può essere realizzata applicando al corpo una forza diretta verso l’alto, in grado di bilanciare la forza peso.  La forza di levitazione può essere di varia natura. Un tipico esempio è rappresentato dalla spinta di Archimede esercitata dall’atmosfera, che tiene sospeso nell’aria un pallone aerostatico.

Palla in acqua

Un altro esempio, di grande rilevanza storica e scientifica, è la levitazione indotta da un campo elettrico, mirabilmente sfruttata da Robert Millikan per sospendere nell’aria goccioline d’olio cariche e misurare la carica dell’elettrone, un esperimento che ha contribuito a far vincere a Millikan il premio Nobel per la Fisica nel 1923. La levitazione può essere anche ottenuta utilizzando un campo magnetico molto intenso, per sospendere sostanze diamagnetiche. Uno degli esperimenti tra i più noti è la levitazione magnetica di una rana viva (video, articolo), effettuata da  Michael Berry e Andre Geim nel 1997. Il premio è valso a Berry e Geim il premio Ig Nobel nel 2000, riconoscimento  tributato ai risultati scientifici che “fanno prima ridere e poi riflettere”. In questo caso, l’ultima risata è spettata proprio a Geim, che nel 2010 ha condiviso con Konstantin Novoselov il premio Nobel per la Fisica per la scoperta del grafene, lasciando il resto del mondo a riflettere.

Oltre a sfruttare le forze esterne sopra descritte, la levitazione può venire realizzata anche investendo il corpo da sospendere con un flusso continuo di materia, come avviene nel caso di una pallina da ping-pong, sospesa  da un flusso d’aria, un esperimento di levitazione che chiunque può provare a realizzare facilmente. Le cose diventano però più interessanti se, al posto del flusso di materia, si utilizza un flusso continuo di energia, investendo il corpo con un’onda.  In questo caso la forza necessaria per la levitazione proviene dalla pressione esercitata dalla radiazione sul corpo, dovuta al fatto che un’onda, nonostante non trasporti massa, trasporta però quantità di moto, uguale al rapporto tra la sua energia e la sua velocità di propagazione. L’avvento dei laser ha permesso di sviluppare “pinzette ottiche”,nelle quali la pressione esercitata dalla luce permette di manipolare piccoli corpi solidi e liquidi, con dimensioni che vanno da quelle di un singola molecola fino a un centesimo di millimetro. Dal punto di vista applicativo, sarebbe però molto interessante poter levitare oggetti macroscopici visibili a occhio nudo, in modo da poter  manipolare gocce di liquido, in assenza di contenitori.

Ilgocce numero del 15 luglio 2013 dei Proceedings of the National Academy of Science, una delle riviste scientifiche interdisciplinari tra le più prestigiose al mondo, riporta i risultati di un esperimento realizzato all’ETH di Zurigo, che sfrutta onde acustiche per sospendere e manipolare corpi solidi e liquidi. Di per sé, il principio fisico della levitazione acustica è già stato studiato sin da fine '800 da scienziati del calibro di Lord Rayleigh,  anch’egli vincitore del premio Nobel per la Fisica nel 1904 per la scoperta dell’elio ( quello terrestre). Il nuovo studio apre però delle nuove frontiere tecnologiche nella manipolazione controllata di campioni, in ambiti di ricerca applicativi, come quello chimico, biologico e farmaceutico. I ricercatori hanno sviluppato infatti un metodo che permette di controllare, in maniera sincronizzata, delle matrici di attuatori acustici piezoelettrici, che emettono ultrasuoni, in modo da generare delle onde stazionarie, nei cui nodi vengono intrappolati corpi con dimensioni dell’ordine di diversi millimetri. Variando l’ampiezza della modulazione di ogni attuatore, i ricercatori sono in grado di modificare la posizione dei nodi delle onde stazionarie, e quindi quella dei corpi. La pubblicazione è accompagnata da una serie di spettacolari filmati, che mostrano le potenzialità della nuova tecnica. Ad esempio, è possibile controllare la posizione di gocce di liquido, portandole a miscelarsi tra loro in assenza di contenitori, che potrebbero contaminarle (video1video2). Il flusso di energia, che tiene sospese le gocce, può però avere effetti esplosivi nel corso delle loro collisioni (video). Possono essere anche sospesi corpi solidi, come un grano di caffè solubile, che può poi essere portato in contatto con una goccia d’acqua, per preparare un micro-caffè istantaneo (video). Infine gli autori del lavoro rilevano come la loro tecnica possa rappresentare un promettente sostituto a molti costosi esperimenti, che sono attualmente effettuati nello spazio per eliminare l'influenza della forza di gravità.

Alberto Vailati

Per leggere l'articolo: PNAS

24 luglio 2013
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