Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci objevili způsob, jak manipulovat s vodními vlnami, což umožňuje zachytit a přesně pohybovat plovoucími objekty – jako by je řídila neviditelná síla. Metoda spočívá v generování a spojování vodních vln, které vytvářejí složité povrchové vzory, například kroutící se smyčky a víry. Laboratorní experimenty ukázaly, že tyto obrazce mohou přitáhnout blízké plovoucí předměty, malé pěnové kuličky velikosti zrnka rýže, a uvěznit je v těchto obrazcích.
Výzkum uskutečnil mezinárodní tým vědců pod vedením Nanyang Technological University v Singapuru (NTU).
Některé vzory fungují jako pinzeta nebo vlečný paprsek, který udržuje plovoucí kuličky na místě na vodní hladině, aby neodpluly ani v proudu. Jiné způsobují, že se kuličky otáčejí kolem svého středu a pohybují se přesně po kruhové nebo spirálové dráze uvnitř obrazců. Na rozdíl od běžných vln zůstávají tyto vlnové obrazce stabilní, i když je narušují menší vnější vlny.
Techniku by bylo možné dále rozvíjet například k zachycení rozlitých kapalin a chemikálií, které se vznášejí na vodě, a usnadnit tak jejich „úklid“.
Metodu by bylo možné rozšířit i na navádění větších plovoucích objektů a případně i plavidel po požadované dráze na vodě, i když nemají funkční motory. Budoucí výzkum by mohl studovat naopak také ještě menší vlny, než jsem s nimiž se experimentovalo nyní, například v měřítku buněk.
„Naše výsledky jsou prvním krokem ve zkoumání toho, jak lze vodní vlny tvarovat k pohybu objektů, což má v budoucnu mnoho potenciálních aplikací,“ uvedl spoluautor výzkumu Shen Yijie z NTU.
Technika tvarování vodních vln byla vyvinuta díky inspiraci předchozí Shenovou prací zkoumající využití světelných vln k vytvoření komplexních struktur nebo světelných vzorů. Tento výzkum ukázal, že malé poruchy tyto světelné obrazce jen tak nezničí a mohou v nich zachytit drobné částice, jako jsou buňky kvasinek a nanočástice kovů. Úpravou světelných vln bylo možné pohybovat i částicemi, které v nich uvízly, opět jakoby neviditelnou silou.
Během svého výzkumu si Shen uvědomil, že vzhledem k tomu, že voda i světlo mají (mohou mít) společnou vlnovou povahu, to, co se jeho týmu podařilo se světelnými vlnami, by mohlo být možné i s těmi vodními. Vědci nejprve provedli počítačové simulace a poté laboratorní experimenty ve vodní nádrži, kde vytvořili vlny pomocí různých plastových struktur vytištěných na 3D tiskárně a částečně ponořených do vody. Jednou z těchto plastových struktur byl například prstenec spojený s 24 trubičkami rozprostřenými kolem něj. Trubičky byly napojeny na reproduktory, které vydávaly nízkofrekvenční zvuky, jež způsobovaly vlnění vodní hladiny uvnitř prstence.
Vědci umístili do vodní nádrže malý plovoucí míček z pěnového polyethylenu a pozorovali, jak se míček při vzniku vln pohybuje. Použity byly kuličky o průměru od 4,8 mm do 12,7 mm. Vědci pak testovali také pingpongový míček o průměru 40 mm.
Úpravou velikosti a frekvence vodních vln a změnou toho, zda se některé vlny pohybují společně s jinými, se způsobilo, že se vlny vzájemně ovlivňovaly, překrývaly a spojovaly a vytvářely na vodní hladině složité obrazce. Tyto obrazce v sobě zachytily plovoucí míček a dokázaly ho udržet téměř nehybný, nebo roztočit a pohybovat se přesně po kruhové nebo spirálové dráze v obrazcích, přičemž se od dráhy odchýlil maximálně o 2-4 mm.
Tým plánuje dále pracovat na zjištění, zda lze vodní obrazce vytvářet i pod vodou, a nikoliv jen na hladině, a pohybovat tak ponořenými předměty.
Tuto techniku by bylo možné také rozšířit a zkoumat, zda lze lodě navádět na určité místo nebo po požadované dráze. Výzkumníci by museli vzít v úvahu rušivé vlivy přírodních mořských vln, které by mohly zničit vodní obrazce, pokud by tyto mořské vlny byly příliš silné.
Protože vodní obrazce nelze snadno narušit, mohl by budoucí výzkum zkoumat možnost jejich využití k ukládání dat (poznámka PH: to mi přijde spíš vtipné a efektní než k něčemu prakticky použitelné). Způsob, jakým se voda ve vzorcích víří, je také podobný tomu, jak se mohou chovat světelné vlny a elektrony, což naznačuje, že by vodní vlny mohly být studovány jako dostupnější náhrada pro výzkum některých kvantových jevů pozorovaných u vln světla a elektronů.
Bo Wang et al, Topological water-wave structures manipulating particles, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08384-y
Zdroj: Nanyang Technological University / přeloženo, zkráceno
PH: lingvistická poznámka, „neviditelná síla“ se užívá běžně, ale copak jsou síly obvykle viditelné (gravitace, elektromagnetismus…)?
Poznámka o analogiích vody a světla, že bychom místo světla mohli tedy zkoumat vlnění vodní: no připomíná mi to trochu experimenty, kdy z toho, co se děje u vodopádu, se vyvozuje, že Hawkingovo záření černých děr skutečně existuje. Přílišnou důvěru k těmto analogiím nemám.
