Диамагнитное вещество слегка отталкивается магнитными полями: при наличии достаточно сильного магнита диамагнитная сила может преодолеть силу тяжести, и вещество будет парить в воздухе. Графит, основной компонент грифеля карандаша, считается одним из лучших веществ для такой левитации в реальных условиях, и его потенциальное применение для обнаружения слабых внешних возмущений вызывает все больший интерес.
До недавнего времени препятствием была электропроводность графита, поскольку электрические токи подавляют левитацию. Предыдущие исследования показали, что стеклянное покрытие эффективно блокирует ток, но при этом частицы начинают двигаться во всех направлениях, что ослабляет подъемную силу.
По счастливому стечению обстоятельств группа исследователей из Киотского университета разрабатывала возможное решение этой проблемы: создание монокристаллических эквивалентов различных веществ из мелкодисперсных порошков путем выравнивания микрокристаллов в одном направлении. Хотя ученые специализируются на спектроскопии ядерного магнитного резонанса, столкнувшись с проблемой левитации графита, они поняли, что могут внести существенный вклад в ее решение.
«Меня привлекла диамагнитная левитация, поскольку я нашел это явление несколько нелогичным и даже экзотическим», — говорит автор-корреспондент Казуюки Такеда. «Меня забавляет объект, бесшумно парящий без какого-либо активного привода, в отличие от птицы, машущей крыльями».
Команда уже была способна выравнивать диамагнитные частицы в одном направлении. Хитрость заключается в том, чтобы сосредоточиться на энергии частиц, зависящей от их ориентации, и создать магнитное поле с благоприятным энергетическим минимумом, направленным на ориентацию частиц в определенном положении.
Чтобы применить этот метод к графиту, ученые сначала с помощью химического синтеза нанесли на поверхность каждой частицы тонкий слой стекла, затем смешали частицы с вязкой водой до состояния суспензии и залили ее в форму со сверхпроводящим магнитом. Они вращали чашу с оптимальной скоростью, чтобы добиться нужной вязкости и создать магнитное поле, которое ориентировало бы частицы в одном направлении, а затем дали суспензии высохнуть, превратив ее в жесткую пластину.
В ходе этого эксперимента команда успешно создала гибридное вещество на основе графита, в котором частицы одновременно изолированы и выровнены. Когда ученые проверили диамагнетизм, пластина продемонстрировала стабильную левитацию над постоянными магнитами. Подавление электропроводности графита позволяло пластине длительное время постоянно колебаться, напоминая миниатюрный ковер-самолет.
Исследователи хотят связать эту работу с новой стратегией обнаружения на основе ядерного магнитного резонанса и магнитно-резонансной томографии. Это открытие, опубликованное в журнале Analysis & Sensing, также оказалось перспективной платформой для сенсорных приложений, для которых левитирующее вещество, разработанное командой, уже продемонстрировало значительный потенциал.
«Пока мы записывали движение левитирующей пластины, произошло настоящее землетрясение. Когда она начала подниматься и опускаться, мы зафиксировали мощный импульс, — говорит Такеда. — Это стало нашим первым "сейсмочувствительным" событием».
[Фото: KyotoU / Kazuyuki Takeda]
