これらの浮遊ビーズは物理学者に回転する天体について教えることができる

空中浮遊はSFに出てくる超能力のように思えるかもしれない。しかしドクター・ストレンジとは違い、科学者は物体を空中に浮かせて操作するのに呪文を必要としない。先週Physical Review Xに掲載された研究で、シカゴ大学とバース大学の物理学者は、音の力を利用してプラスチック粒子の塊を浮かせ、回転させ、ばらばらにする方法を説明した。彼らの研究結果は、ブラックホール、原子核、小惑星など、他の高速回転物体の物理学を理解するのに役立つ可能性がある。

「音響浮上は、文字通りスピーカーのようなものを使用するため、物体を操作する非常に優れた方法です」と、シカゴ大学の実験ソフトマター物理学者で本研究の主任著者であるメロディ・リム氏は言う。

リム氏と同僚たちは、この種の浮遊を改良して、物体に触れることなく移動させたり操作したりできるようにしたいと考えていた。この技術には無数の潜在的な応用があり、物理学者の中には、組織工学の目的で細胞を再配置する手段として音響浮遊を研究している者もいる。

リム氏と研究チームは、直径1ミリ未満の小さな丸いプラスチック粒子を透明な箱の中に入れた。粒子を浮かせて動かすのに十分な力を発生させるため、箱の中にスピーカーを設置し、定在波（静止した音波の一種）を発生させた。リム氏はこれをバイオリンの弦が振動する波に例えている。

音波によってビーズは跳ね返り、浮遊状態で集まり、円形の小さな粒子の単層を形成します。この浮遊構成では、音波が粒子間に弱い引力、つまり凝集力を生み出します。「すべてをまとめる一種の粘着性の接着剤のようなものだと思ってください」とリム氏は言います。リム氏とチームがスピーカーから出る音の周波数を微調整すると、円形の塊は岩の多い海のいかだのように揺れ、その後回転し始めました。

スピードが増すにつれて揺れるメリーゴーランドに乗っているところを想像してください。回転が速くなるほど、遠心力が増し、ぶら下がっているブランコは真下にぶら下がるのではなく、外側に広がり始めます。これは基本的に、浮遊する粒子の円盤に起こることです、とリム氏は説明します。ただし、この場合、浮遊物同士を結びつける紐はありません。

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音波をさらに操作すると、「可能な限り速く回転するポイントに到達します」とリム氏は言います。「すると、その押す力は粒子を結合している粘着性の接着剤よりも強くなり、全体の形状を変える必要があります。」

このような高速では、遠心力によって粒子の塊が引き裂かれ、より長く細い塊に引き伸ばされたり、さらに小さな塊に分解されたりします。興味深いことに、破片は最終的に 1 つの円形ディスクに再び集まります。

「この実験で実際に調べているのは、回転ディスクが外側に何かがあることを、内側に何かがあることと比べてどれだけ嫌うかということです」とリム氏は言う。水滴と同様に、粒子はむしろコンパクトな円に引き寄せられ、表面積が減る、と彼女は言う。「長く伸びた形はあまり好きではありません。外側にたくさんの粒子が散らばっている状態になり、あまり幸せではないからです。」

リム氏によると、小惑星も同じような過程をたどる可能性がある。小惑星帯にある小惑星は、重力で結びつき、太陽によって熱せられた岩石の塊である。「仮説の 1 つは、太陽が小惑星の片側を照らすため、その側の方が高温になるというものです」とリム氏は言う。熱によって、太陽に面した岩石からガスが噴出する。「小惑星の片側だけに取り付けられた小さなガス推進装置をオンにしたようなものです」とリム氏は言い、これが小惑星を徐々に回転させていく。

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リム氏の実験の微粒子と同様に、回転は時間の経過とともにどんどん速くなり、構造の形状が変化する可能性がある。しかし、小惑星の巨大なサイズと遠く離れた太陽からのゆっくりとした沸騰により、この現象を研究することは困難である。

「小惑星に対するこの効果の測定によると、この物体の回転速度が2倍になるのに必要な時間はおよそ10万年です」とリム氏は言う。回転力が小惑星の形状を顕著に変えるには長い時間がかかるだろうとリム氏は言う。

研究グループの小型音響浮上システムは、これらの天体だけでなく、ブラックホールや原子核などの他の回転物体の物理現象を模倣し、研究が困難なプロセスをより詳しく解明できる可能性があるとリム氏は言う。実用的な応用を超えて、リム氏はこの現象の美しさにも魅了されたと語る。

「たくさんの浮遊粒子が集まると、見た目にとても興味深い構造が形成されることに気づき始めました」と彼女は言います。「音響浮遊装置では、回転したり、分裂したり、結合したりして大きな液滴を作るなど、こうした魅力的なことすべてが行われています。本当に美的でした。」