La lévitation acoustique, compte tenu de sa difficulté de mise en œuvre, a longtemps été confinée au laboratoire. Aujourd'hui, des chercheurs britanniques dévoilent les plans d'un appareil capable de faire léviter de petits objets à la force des ultrasons. Un appareil dont le fonctionnement et le prix vous permettraient de l'avoir chez vous.


Commentaire : Est-ce que ce dispositif en plus puissant ne pourrait pas être utilisé pour déplacer des objets bien plus lourds comme des blocs de pierre ?


© Asier Marzo, université de Bristol
Quelques exemples d’objets que les chercheurs de l’université de Bristol sont parvenus à faire léviter : 40 μL d’une solution d’isopropanol et de dioxyde d’étain (a), une fourmi (b), un fragment d’acide polylactique de 2 mm de large (c), un transistor à effet de champ (d), du ketchup et de la moutarde (e), de l’eau (f) et du sucre (g).
Les tests sanguins ne sont qu'un exemple parmi tant d'autres de techniques qui pourraient être améliorées par la lévitation acoustique. Cependant, celle-ci reste encore difficile à mettre en œuvre. Aujourd'hui, des chercheurs de l'université de Bristol (Royaume-Uni) annoncent avoir mis au point un appareil capable de faire léviter de l'eau, des composants électroniques et même de petits insectes. Le tout à partir de composants bon marché et facile à assembler.

Rappelons que si la lévitation magnétique exploite des champs magnétiques pour suspendre des objets en plein air, la lévitation acoustique compte sur les différences de pressions créées par des ondes sonores. Une prouesse qui nécessitait jusqu'alors des conditions d'opération très précises et une importante dépense d'énergie.

La lévitation acoustique dans votre salon

Au cœur de cet appareil se trouvent de simples transducteurs ultrasoniques basse tension disponibles dans le commerce. Le système fonctionne à 40 kHz, dans l'air ambiant, et peut faire léviter des objets d'une densité supérieure à 2,2 g/cm3 ou d'un diamètre approchant les 4 mm. Le tout en ne faisant appel qu'à une puissance limitée de quelque 10 W.

Autres composants notables, mais tout aussi faciles d'accès : des pièces imprimées en 3D et un module Arduino. Les chercheurs de l'université de Bristol prétendent donc que leur appareil pourra bientôt être construit par n'importe quel laboratoire ou même dans le salon de n'importe quel étudiant. D'autant que la notice de montage complète est gracieusement fournie.

La lévitation acoustique bientôt exploitable

Grâce à la lévitation, un objet peut théoriquement être manipulé sans qu'il n'y ait de contact physique. Dans la pratique, le contrôle de la lévitation, et notamment de la lévitation acoustique, restait délicat. L'innovation proposée cette semaine par une équipe brésilienne pourrait permettre d'imaginer des applications concrètes dans les secteurs de la biologie, de la chimie analytique ou encore de la pharmaceutique.

Des chercheurs de l'université de São Paulo (Brésil) ont mis au point un dispositif de lévitation acoustique qui permet de faire flotter dans l'air un petit objet, une bille de polystyrène de 3 mm de diamètre. Jusque là, rien d'extraordinaire. La nouveauté réside dans le fait que ce système particulier permet de contrôler de manière précise la lévitation et les déplacements de l'objet en question. Pour envisager de véritables applications concrètes, comme la manipulation de matières dangereuses ou de substances chimiquement sensibles, comme des produits pharmaceutiques par exemple, il reste maintenant à améliorer la méthode afin de pouvoir l'appliquer à des objets un peu plus lourds.

Le fonctionnement de ce dispositif est détaillé dans un article paru cette semaine dans la revue Applied Physics Letters. Il repose sur l'utilisation d'une source d'ondes sonores, placée au-dessus d'une bille de polystyrène, et d'un réflecteur concave, placé en dessous. Déplacer le réflecteur permet de déplacer également la bille de polystyrène, sans entrer en contact avec elle.

Toutes les formes de lévitation, la lévitation électromagnétique ou la lévitation aérodynamique, par exemple, sont le résultat de forces plus fortes que la Newton et la force de gravitation appliquées à un objet. Dans le cas de la lévitation acoustique, c'est la pression acoustique qui est responsable de la suspension des objets dans l'air. Car, en effet, en se propageant, une onde sonore crée dans l'air des zones de légères dépressions et surpressions (environ 10 millions de fois plus faibles que la pression atmosphérique) qui suffisent à faire vibrer nos tympans... ou à faire léviter de petits objets.

© Asier Marzo, université de Bristol
Grâce à un dispositif à ultrasons, une équipe de chercheurs brésiliens est parvenue à contrôler les mouvements en lévitation de billes de polystyrène. Sur l'image de droite, une simulation du phénomène.
Manipuler des particules grâce à la lévitation acoustique

La lévitation acoustique a déjà été exploitée par le passé. Dans un dispositif traditionnel, une source émet des ondes sonores à haute fréquence. Celles-ci frappent le fond d'un réflecteur concave et sont alors réfléchies. Ces ondes réfléchies interagissent ensuite avec les ondes émises par la source, produisant des ondes stationnaires. Ces dernières présentent des points de pression acoustique minimale qui, s'ils sont suffisamment forts, peuvent contrecarrer la force de gravité et permettre à un petit objet de léviter.

Jusqu'à présent, la mise en œuvre de tels dispositifs était restée complexe. Sources sonores et réflecteurs devaient être placés à des distances précises, dites distances de résonance. Une distance égale à un multiple de la demi-longueur d'onde des ondes sonores émises. Sans quoi les ondes stationnaires ne se formaient pas et la lévitation n'avait pas lieu. Même si des chercheurs avaient ainsi réussi, non seulement à piéger de petits objets en suspension, mais aussi à les déplacer sur de courtes distances, le contrôle précis du déplacement de ces objets était resté impossible.

Les chercheurs brésiliens, quant à eux, utilisent un dispositif non résonnant, beaucoup plus simple à manipuler. L'onde stationnaire, qui entraîne la lévitation, est créée par la superposition de l'onde émise et de la première onde réfléchie. La petite taille du réflecteur permet de minimiser les réflexions multiples qui pourraient parasiter le phénomène. Les chercheurs brésiliens assurent que leur lévitateur acoustique est robuste aux perturbations et que la distance entre l'émetteur et le réflecteur peut varier de façon continue sans affecter les propriétés de lévitation. Notamment parce que le réflecteur qu'ils utilisent permet d'augmenter les forces axiales et latérales qui agissent sur les particules en lévitation.

L'article publié dans la Review of Scientific Instruments (en anglais)