Cercetătorii de la de la Institutul de Știință și Tehnologie din Okinawa (OIST) studiază materialele care levitează — substanțe care pot rămâne suspendate într-o poziție stabilă fără niciun contact fizic sau suport mecanic. Cel mai comun tip de levitație apare prin intermediul câmpurilor magnetice. Obiecte fabricate din superconductori sau materialele diamagnetice (materiale respinse de un câmp magnetic) pot fi făcute să plutească deasupra magneților, putând sta la baza pentru dezvoltarea de senzori avansați pentru diverse utilizări științifice.
Prof. Jason Twamley, conducătorul echipei de cercetători OIST, împreună cu colaboratori internaționali au proiectat o platformă caree levitează în vid folosind grafit și magneți. În mod remarcabil, această platformă levitează fără a se baza pe surse de energie externe și poate ajuta la dezvoltarea unor senzori ultra-sensibili pentru măsurători extrem de precise și eficiente. Rezultatele lor au fost publicate în revista Applied Physics Letters.
Atunci când un câmp magnetic extern este aplicat materialelor “diamagnetice“, acestea generează un câmp magnetic în direcție opusă, rezultând o forță de respingere. Prin urmare, obiectele făcute din materiale diamagnetice pot pluti deasupra unor câmpuri magnetice puternice. De exemplu, în trenurile maglev, sunt folosiți magneți superconductori puternici care creează un câmp magnetic puternic cu materiale diamagnetice pentru a obține levitația, sfidând aparent gravitația.
Grafitul, forma cristalină a carbonului, pe care îl folosim pentru minele creioanelor, este puternic respins de magneți (este foarte diamagnetic). Prin acoperirea chimică cu siliciu a particulelor microscopice ale unei pulberi de grafit și amestecând această pulberea acoperită cu ceară, cercetătorii au obținut o placă subțire de formă pătrată cu dimensiuni de ordinul centimetrilor care plutește deasupra magneților aranjate într-un model grilă.
Crearea unei platforme care levitează și care nu necesită energie externă prezintă mai multe provocări. Cel mai mare factor limitativ sunt “curenții turbionari” care apar atunci un conductor electric, precum grafitul, se mișcă printr-un câmp magnetic puternic, rezultând un curent electric indus, care duce la pierderi de energie. Aceste pierderi de energie au descurajat utilizarea levitației magnetice pentru dezvoltarea senzorilor avansați.
Cercetătorii OIST au încercat să proiecteze o platformă care poate pluti și oscila fără a pierde energie — ceea ce înseamnă că odată inițiată mișcarea, aceasta va continua să oscileze pentru o perioadă extinsă, chiar fără aport suplimentar de energie. Acest tip de platformă “fără frecare” ar putea avea multe aplicații, inclusiv noi tipuri de senzori pentru măsurarea forței, accelerării și gravitației. Cu toate acestea, chiar dacă oamenii de știință reușesc să reducă curenții turbionari, există și o altă provocare: minimizarea energiei cinetice a platformei oscilante. Reducerea acestui nivel de energie este importantă din două motive. În primul rând, face platforma mai sensibilă pentru utilizare ca senzor. În al doilea rând, răcirea mișcării sale către regimul cuantic (unde efectele cuantice domnesc) ar putea deschide noi posibilități pentru măsurători precise. Prin urmare, pentru a realiza o platformă cu adevărat fără frecare și auto-susținătoare, trebuie rezolvate ambele provocări: ale curenților turbionari și ale energiei cinetice.
Pentru a depăși aceste provocări, cercetătorii s-au concentrat pe crearea unui material nou, derivat din grafit. Prin modificarea chimică a acestuia, l-au transformat într-un izolator electric. Această schimbare oprește pierderile de energie în timp ce permite materialului să leviteze în vid. În configurația experimentală, oamenii de știință au monitorizat continuu mișcarea platformei. Utilizând aceste informații colectate în timp real, au aplicat o forță magnetică de feedback pentru a amortiza mișcarea platformei — practic limitându-i mișcarea și încetinind-o semnificativ. Cu ajutorul acestui nou material se vor putea realiza, de exemplu, aparate de măsurare a gravitației mult mai sensibile decât cele folosite în prezent.
