Các nhà khoa học Trung Quốc dùng sóng khắc để di chuyển vật thể trên bề mặt

Hãy tưởng tượng một mặt bàn có thể nhặt một hạt cát và làm nó xoay chậm, rồi làm điều tương tự với một miếng nhựa nhẹ lớn hơn hàng trăm lần — tất cả mà không có bất kỳ cánh tay cơ khí nào chạm vào cả hai. Một nhóm tại Viện Âm học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã tiến thêm một bước gần hơn tới ý tưởng đó, báo cáo một phương pháp thao tác vật thể trên bề mặt qua các quy mô kích thước rất khác nhau.

Công trình, được mô tả bởi tờ báo khoa học nhà nước Science and Technology Daily, tập trung vào cái mà các nhà nghiên cứu gọi là sóng xoáy. Đây là những sóng có mặt sóng xoắn thành hình xoắn ốc, mang theo cái mà các nhà vật lý gọi là mô men động lượng quỹ đạo. Hãy nghĩ đến dòng xoáy khi nước trong bồn tắm rút đi: dòng chảy quay có thể đẩy các vật nổi xoay vòng. Trong phiên bản âm thanh, sóng do âm thanh dẫn động đóng vai trò tương tự, truyền động lượng cho bất cứ thứ gì nằm trên bề mặt.

Sự đổi mới nằm ở cách các nhà nghiên cứu tạo ra dòng xoáy đó. Thay vì xây dựng một mảng phát phức tạp để định hình sóng theo thời gian thực, họ mã hóa thông tin pha cần thiết trực tiếp vào cấu trúc của một tấm mỏng. Bản thân tấm đó sau đó trở thành cỗ máy. Khi được dẫn động, nó tạo ra chuyển động xoắn cần thiết để giữ và đẩy các vật thể nằm trên nó.

Sự đơn giản đó rất quan trọng. Các mảng pha phức tạp thì đắt đỏ, ngốn điện và khó thu nhỏ. Một tấm có hoa văn có thể được làm mỏng, phẳng và tương đối rẻ, mở ra cánh cửa cho những bề mặt âm thầm xáo trộn, xoay hoặc lắp ráp những thứ nhỏ. Nhóm nghiên cứu báo cáo rằng các vật thể từ hạt dưới milimét đến các cấu trúc nhẹ cỡ centimet có thể bị bắt và làm cho di chuyển theo vòng tròn trên tấm.

Thao tác bằng âm thanh đã quen thuộc trong các phòng thí nghiệm, nơi các trường âm thanh hội tụ từ lâu đã được dùng để nâng các giọt và đẩy tế bào vào vị trí. Hầu hết công việc đó diễn ra trong các buồng chứa đầy chất lỏng. Làm điều đó trên một bề mặt khô, qua nhiều kích thước, là một bài toán khó hơn và có sức hấp dẫn thực tiễn rõ ràng.

Các ứng dụng tiềm năng đọc như một danh sách mong muốn cho sản xuất chính xác và robot vi mô: định vị các linh kiện điện tử nhỏ, phân loại bột tinh tế, di chuyển mẫu sinh học mà không nhiễm bẩn, hoặc cấp năng lượng cho các máy thu nhỏ bò và xoay trên một sân khấu phẳng. Vì lực đến từ sóng chứ không phải từ các kẹp, các vật dễ vỡ có thể được xử lý mà không bị trầy xước và nghiền nát mà các công cụ tiếp xúc đôi khi gây ra.

Nghiên cứu này nằm dưới chiếc ô rộng hơn của thao tác trường sóng, một lĩnh vực bao trùm âm học, quang học và cơ học. Cùng một vật lý cho phép nhíp ánh sáng giữ một tế bào, công trình được vinh danh với Giải Nobel năm 2018, có những người anh em họ âm thanh hoạt động trên các vật thể lớn hơn. Đóng góp của nhóm Trung Quốc là một cách nhỏ gọn, có thể mở rộng để tạo ra cấu trúc sóng cần thiết.

Công trình vẫn đang ở giai đoạn phòng thí nghiệm, và việc mở rộng một tấm có hoa văn thành một công cụ công nghiệp thực tiễn sẽ mang đến những thách thức riêng, bao gồm nhiệt, hiệu suất và nhu cầu kiểm soát nhiều vật thể cùng lúc. Nhưng hướng đi đã rõ. Những bề mặt di chuyển đồ vật bằng cách định hình sóng thay vì chế tạo cánh tay có thể một ngày nào đó nằm yên trong các nhà máy, phòng thí nghiệm và thiết bị y tế, làm công việc chính xác mà không có bộ phận chuyển động nào cả.