走进科学
研究人员发现了经典的克拉尼模式的反例
1787年，“声学之父”Ernst Chladni做过一个实验，他在一个小提琴上安放一块较宽的金属薄片，在上面均匀地撒上沙子。然后开始用琴弓拉小提琴，结果这些细沙自动排列成不同的美丽图案，并随着琴弦拉出的曲调不同和频率的不断增加，图案也不断变幻和越趋复杂——这就是著名的克拉尼Chladni图形。核心模式是较重的颗粒远离彼此，较轻的颗粒接近彼此。
最新研究或许颠覆了固有的观点——这些观点已经存在了200多年。此外，还可能开辟了工业和医药制造业中操纵微粒的新技术。
芬兰阿尔托大学的科学家发现，如果在水下进行克拉尼板实验时，较重的颗粒会趋近运动幅度最大的位置——被称为波腹。他们为此发明了一个术语来描述该现象——“逆克拉尼模式”。
“这是令人惊讶的结果，与普遍的观念相矛盾。”研究人员Quan Zhou说。
在实验中，Zhou和同事把直径小于1毫米的玻璃珠铺在压电换能器的浸没硅板上。然后以各种频率振动硅板，在水面上制造出波浪。
那么为什么效果与预期相反呢？
19世纪早期，迈克尔·法拉第为克拉尼图案给出了解释，认为重粒子会移动到节点线，即振动最小的点，此时同样的力将无法再使它们随着薄板振动。
新实验背后的研究人员认为，水中的波浪、重力压力和流体阻力会阻碍颗粒的跳跃。团队甚至利用他们的理论开发出了一套计算机算法，可以调整薄板振动的频率，以控制玻璃珠的移动方向——实际效果就是绘制出颗粒的实时路线。
“我们几乎可以在任何频率下移动颗粒，而且无需依赖板块的共振频率，”Zhou说，“这为我们提供了更多的控制自由度。”
例如，研究人员成功地将单个颗粒引导通过迷宫，并可以仅仅通过播放声音来合并和分离一堆颗粒。
如果该技术可以将应用到更小的对象上，那么就可以生物和医学工业中的很多领域里大显身手——将微小物体(甚至是活细胞)靶向目标。
“药物研究和微系统组装的许多流程都需精细地移动和操纵小颗粒，只使用一台执行器就可以完成所有这些不同的操作，我们正在开辟新的微粒处理技术之路。此外，该方法可以促动未来的微型工厂系统——建立在一小块微硅板上的工厂。”
该研究发表在Physical Review Letters上。
本文译自 sciencealert，由 majer 编辑发布。