Fluttuare nel Suono: Come Levitiamo la Polvere Cosmica (e non solo!) con le Onde Acustiche

Avete mai sognato di far fluttuare oggetti a mezz’aria, come per magia? Beh, nel nostro laboratorio, il Cosmic Dust Laboratory (CoDuLab) dell’Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA) a Granada, in Spagna, ci siamo avvicinati parecchio, ma usando la scienza! Niente bacchette magiche, ma onde sonore potentissime. Vi racconto come abbiamo costruito un **levitatore acustico** speciale, non solo per stupire, ma per uno scopo scientifico ben preciso: studiare minuscole particelle, come analoghi della polvere cosmica e aerosol, in un modo completamente nuovo.

Perché far levitare la polvere cosmica?

Il nostro obiettivo al CoDuLab è capire le proprietà fisiche (dimensioni, composizione, forma) dei granelli di polvere cosmica. Come? Analizzando il modo in cui diffondono la luce. Immaginate di illuminare una particella e osservare come la luce “rimbalza” in tutte le direzioni: questo schema, chiamato matrice di diffusione, è come un’impronta digitale che ci dice molto sulla particella stessa.

Finora, usavamo un generatore di aerosol per creare una nuvoletta di particelle da studiare. Funziona alla grande per particelle piccolissime, fino a 100 micron (un capello umano è spesso circa 50-70 micron, per darvi un’idea). Ma volevamo di più! Volevamo analizzare particelle più grandi, fino a qualche millimetro, e magari anche goccioline liquide. Il problema è: come tieni sospesa una particella così “grande” (per i nostri standard!) senza toccarla? Qualsiasi supporto fisico interferirebbe con le nostre delicatissime misure di diffusione della luce.

Ecco che entra in gioco la **levitazione acustica**. L’idea è usare la forza esercitata dalle onde sonore (la cosiddetta forza di radiazione acustica) per contrastare la gravità e tenere un oggetto sospeso a mezz’aria. Fantastico, vero?

Il nostro “giocattolo” sonoro: un levitatore sferico

Ispirandoci a progetti precedenti come il “TinyLev”, abbiamo progettato e costruito il nostro levitatore su misura. Non ci siamo accontentati di un setup semplice. Abbiamo creato una configurazione piuttosto ambiziosa: una **cavità sferica** formata da ben **35 trasduttori ultrasonici**. Questi piccoli “altoparlanti” speciali emettono ultrasuoni a 40 kHz (ben oltre l’udito umano) e sono disposti in modo da concentrare l’energia acustica al centro della cavità.

Perché 35? E perché sferica? Beh, più trasduttori e una geometria focalizzante ci permettono di generare una forza acustica maggiore e più stabile. Abbiamo fatto delle prove: siamo partiti da un singolo trasduttore, poi siamo passati a un array circolare di 7, e infine siamo arrivati alla configurazione sferica con 35 elementi. Quest’ultima si è rivelata la più potente. Pensate che abbiamo misurato una forza di radiazione acustica al centro di circa 9.6 mN (milliNewton). Può sembrare poco, ma è abbastanza per far levitare particelle, sia sferiche che irregolari, di diversi materiali, fino a un peso di circa **50 milligrammi**!

La costruzione è stata un mix di tecnologia e fai-da-te: i supporti per i trasduttori e la struttura principale sono stati realizzati con una stampante 3D, rendendo il design flessibile e relativamente economico. Abbiamo anche curato i dettagli, come rimuovere le griglie protettive dai trasduttori per aumentare leggermente l’ampiezza del segnale e rivestire il riflettore concavo opposto con vernice nera opaca per minimizzare riflessi indesiderati durante gli esperimenti di luce.

Controllo e stabilità: il cervello dietro la levitazione

Far levitare una particella è solo metà del lavoro. Dovevamo anche poterla controllare e assicurarci che rimanesse stabile per tutta la durata delle nostre misurazioni, che possono richiedere tempo. Per questo, abbiamo sviluppato un’elettronica di controllo e un’interfaccia software dedicata.

Il sistema ci permette di:

• Regolare finemente la fase dei segnali inviati ai trasduttori per ottimizzare la levitazione.
• Attivare/disattivare gruppi di trasduttori.
• Controllare la potenza e, soprattutto, la temperatura dell’elettronica. Abbiamo implementato un sistema di raffreddamento automatico con ventola per garantire che le prestazioni rimangano costanti anche durante esperimenti lunghi.
• Spostare leggermente la particella levitante su e giù tramite comandi software, per posizionarla perfettamente nel punto focale del nostro strumento di misura.
• Monitorare la particella tramite una telecamera integrata nell’interfaccia.

Insomma, un controllo quasi totale sul nostro piccolo “mondo fluttuante”.

Prove di volo: cosa abbiamo fatto levitare?

Abbiamo testato il levitatore con una varietà incredibile di campioni. Sfere di polistirolo espanso (leggerissime, perfette per i test iniziali!), sfere di vetro, di gel di silice, di polipropilene, quarzo fuso. Ma non solo sfere perfette! Abbiamo fatto levitare anche campioni irregolari, più simili alla vera polvere cosmica o agli aerosol atmosferici: cristalli di quarzo (anche ferruginoso), zucchero di canna, sale marino, cenere vulcanica e persino argilla cotta.

È stato affascinante osservare il comportamento dei diversi campioni. Le sfere di polistirolo e quarzo fuso rimanevano incredibilmente stabili. Altre particelle, a causa della loro forma irregolare, iniziavano a ruotare lentamente o vorticosamente, o mostravano piccole oscillazioni. Abbiamo persino levitato con successo una **gocciolina d’acqua** di circa 5 microlitri! Vedere la goccia assumere una forma leggermente ovoidale a causa delle forze acustiche è stato uno spettacolo. Queste prove ci hanno confermato la versatilità del nostro strumento.

Il momento della verità: levitazione e diffusione della luce

Ok, il levitatore funziona, fa fluttuare le cose. Ma raggiunge il suo scopo principale? Si integra bene con il nostro **nefelometro polare**, lo strumento che usiamo per misurare la diffusione della luce?

Per verificarlo, abbiamo condotto un esperimento chiave. Abbiamo posizionato il levitatore al centro del nefelometro e abbiamo fatto levitare una sfera di vetro NBK-7 di 1.5 mm di diametro, un materiale ottico ben caratterizzato. Abbiamo quindi illuminato la sfera con un laser a diodo (lunghezza d’onda 647 nm) e abbiamo misurato come la luce veniva diffusa a diversi angoli (da 3° a 177°). In particolare, abbiamo misurato tre elementi della matrice di diffusione: F11 (la funzione di fase, legata all’intensità totale diffusa), e i rapporti -F12/F11 (il grado di polarizzazione lineare) e F14/F11.

La parte cruciale è stata confrontare i nostri dati sperimentali con i calcoli teorici basati sulla **teoria di Mie**, che descrive esattamente come una sfera perfetta diffonde la luce. E i risultati? Eccellenti! I dati misurati si sovrapponevano quasi perfettamente alle previsioni teoriche su tutto l’intervallo angolare. Questo ci ha dato una grande conferma: il levitatore non solo funziona, ma mantiene la particella abbastanza stabile e nella posizione corretta per ottenere misure di diffusione della luce precise e affidabili. Le piccole discrepanze osservate erano probabilmente dovute a lievi riflessi sul riflettore del levitatore, un effetto che dovrebbe essere minimo con le particelle di polvere opache che studieremo in futuro.

Orizzonti futuri: comete, pianeti e forse anche medicina?

Questo successo apre scenari davvero eccitanti per noi al CoDuLab. Ora possiamo estendere i nostri studi a particelle molto più grandi e complesse di prima, avvicinandoci alle dimensioni e alle caratteristiche, ad esempio, delle particelle porose che si pensa esistano nelle code delle comete, come la famosa 67P/Churyumov-Gerasimenko. Potremmo persino provare a formare aggregati “fluffy” facendo levitare insieme un gruppo di particelle più piccole.

E non dimentichiamo le goccioline liquide! La capacità di levitare gocce apre la porta a esperimenti completamente nuovi. Si potrebbe esplorare l’uso della diffusione della luce come strumento diagnostico non invasivo, analizzando campioni di fluidi corporei (come una goccia di sangue) levitati acusticamente.

Insomma, il nostro levitatore acustico non è solo un pezzo di tecnologia affascinante, ma uno strumento potente che ci permette di esplorare il microcosmo della polvere cosmica e degli aerosol in un modo prima impossibile, spingendo i confini della nostra conoscenza sull’universo e, chissà, forse anche sulla salute umana. Il viaggio è appena iniziato!

Fonte: Springer