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光驱动——“反重力飞行器”: 新研究只用光, 就能让物体悬浮起来
2022-11-13

有朝一日,基于这种光诱导流技术的 "魔毯 "可以在大气层高处搭载气候传感器——如果风向允许的话。

在宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)一栋工程大楼的地下室里,

莫森·阿扎迪(Mohsen Azadi)和他的同事们挤在一组设置在丙烯酸真空室下面的刺眼LED灯周围,展开着一个引发科技革命的实验研究。他们盯着灯光和相机,并希望很快就能从坐在外壳内的两块小塑料盘上看到一些动作。“我们不知道我们期望看到什么。”机械工程博士候选人阿扎迪(Azadi)说:“但我们还是执着于希望看到一些现象。”

他随后解释道:

他们想看看这些盘子,是否会仅仅依靠光的力量而悬浮起来。

光诱导流动,或光泳,本身并不是一个突破。研究人员已经利用这种物理现象,使不可见的气溶胶漂浮起来,并在微流控装置中对粒子进行分类。

但他们以前从未移动过一个大到足以抓住的物体——更不用说移动任何能携带物体的物体了。

然而,这一实验成功了!阿扎迪(Azadi)说:“当两个样品被举起时,我们四个人之间既是兴奋,而又深怕破坏实验屏住了呼吸。这真是一种奇妙的感觉!”根据今天发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一篇论文,

每一块聚酯薄膜板都有铅笔直径那么宽,除了下面光线的能量外,其他什么都没有,只能靠它在空中盘旋。来自LED发光二极管的能量加热了聚酯薄膜特殊涂层的底层,为塑料下的空气粒子提供能量,并以一种微小但强大的阵风将塑料板推开。

这一工程结构是稳定的光诱导飞行的第一个实例,阿扎迪(Azadi)附带的理论模型可以模拟不同的飞行板在大气中的行为。

有趣的是,该模型表明,一块悬浮板可以在上空50英里的范围内游移,同时携带传感器大小的货物。这是实验室成员提出的一个想法,作为研究天气和气候的一种方式——尽管大气科学家们说,这个想法仍然是初步阶段,将面临一些严峻的气象挑战。

科学家们之所以想把一个微型传感器送入未被探索的中间层,这是有原因的,中间层位于你头顶上方31到53英里之间。“有时它被称为无知圈(ignorosphere),这只是个玩笑。”伊戈尔·巴加廷(Igor Bargatin)说,他是宾夕法尼亚大学的机械工程教授和阿扎迪的顾问,也是这项研究的负责人。“

我们只是没有渠道接触到它。你可以一次发射火箭几分钟,但这与使用飞机或气球进行测量大不相同。”

我们没有因为中间层无趣,而忽略它;我们忽略它,是因为它遥不可及。它下面密度更大的空气为飞机和气球提供了足够的升力。而上面的热层足够薄,空气阻力不会烧坏轨道卫星。中间层是两种情况中最糟糕的一种——它太薄了,无法提供升空,但足够厚时,又会足以烧毁一个轨道飞行器。

这对科学家来说是一个阻碍,因为中间层充满了许多有趣的现象,比如怪异的蓝色和红色闪电,以及数百万颗流星形成的微小弹片——流星,每天都灼热着穿过中间层。据美国国家大气研究中心(National Center for atmospheric Research)的大气科学家丹尼尔·马什(Daniel Marsh))称,

这一层的化学成分对有兴趣追踪臭氧破坏的科学家也很有价值。马什在采访中谈道:“太阳风暴导致高能粒子进入中间层,产生一氧化氮。”。

这种一氧化氮渗入大气层的低层,侵蚀地球保护性的平流层臭氧。

巴加廷(Bargatin)认为,

直接向这一区域发送科学探测仪直接,需要一种全新的飞行方式。使用光是有意义的,因为它的内在能量。科学家们已经测试了在太阳帆中捕捉轻粒子动量的想法,以10%的光速进入深空,但是这个想法在中间层的引力下就会崩溃。

在过去的一个世纪里,物理学家们越来越习惯于用光来以其他方式移动物质。例如,激光可以推移蛋白质和珠子,对细胞进行分类,并像镊子一样拔出分子。“到目前为止,几乎所有的研究都集中在微观粒子上。”巴加廷(Bargatin)说。他的实验室去年在《先进材料》(Advanced Materials)杂志上发表了一篇论文,

报道了一种可以悬浮在气垫上的中空铝基薄片。同时,这项新的研究带来了一种更高端的设想——一个稳定的飞行系统,研究人员可以简单地让这些装置在中间层释放。

阿扎迪(Azadi)从最基础的东西开始,绘制悬浮器的设计图,并绘制出哪些物理力可能导致光推动表面。他进行了一些思维实验,简单到想象把球体扔到墙上。"我们可以对墙的表面做些什么,这样当我们把球体扔到墙上,它反弹回来的时候,是否会反弹得更快?"阿扎迪说。

"我只要一张纸和一支笔,试着画出不同的东西。"他继续说道,"

把这些非常简单的思维实验变成数学上的严谨公式。"

研究团队最终确定了一个设计方案:一个有两个不同面的扁平圆盘。在顶部,他们选择了聚酯薄膜,那是一种用于保温毯的闪亮塑料。聚脂薄膜价格便宜,重量轻,表面光滑,而且有些型号的厚度薄到难以想象——在这种情况下只有500纳米厚。这比家用的保鲜膜薄50倍,而且薄到足以完全透明。

在底部,巴加廷(Bargatin)的团队在聚酯薄膜表面涂上了一层,由称为碳纳米管的微小棒状碳丝组成的“蓬松地毯”。每根纳米管只有几个原子直径,大约有一缕头发的宽度那么细。

来自空气中的环境气体分子与一个温暖的物体相撞后,会吸收少量的能量,并以比到达时更快的速度弹开。(根据热力学定律,一个更热的粒子肯定是一个速度更快的粒子。)但并不是每个表面都能平等地将这种能量传递给气体。

有些表面,如一片光滑的聚酯薄膜,只需一点点的推动力就能将气体分子弹走。而其他表面,如一团杂乱无章的碳纳米管,则可以捕捉和加热气体分子,使其更快地发射出去。

当这块漆黑的碳纤维地毯吸收光线时,它那一团乱的纳米管就会变暖。滑入绒毛中的气体分子就会与如此多的间隙相撞,以至于它们的热量比从光滑的上表面反弹的分子还要大。

这种分子从底部表面向下喷射的速度比从顶部向上喷射的速度快,并产生了一种升力,巴加廷(Bargatin)认为:"

你把足够多的分子扔下去,你就会产生一股向上喷流——这就是直升机的工作原理。"

在2019年年底的那一天,当巴加廷(Bargatin)和团队的其他成员聚集在真空室周围,首次尝试纳米管设计时,

阿扎迪让这一迷你魔毯在类似于中间层的压力下漂浮在表面几毫米的地方。

在一个例子中,两块聚酯薄膜板互相盘旋,仿佛在跳舞。"我们决定给这一现象命名,因为它的效果非常出色,"阿扎迪说:"看起来就像其中两个人跳着同样非常和谐的舞蹈。因此,我们叫它为"探戈"也不为过。"

通过将一个中央LED发光二极管,与设置在真空室下方的一圈更强烈的LED包围在一起,

他们还能够演示稳定的悬浮。这种设置使悬浮板被限制在一个光学陷阱中——如果板子开始倾斜和变焦,光边界会迫使它回到中心。没有这种平衡力的悬浮就像在勺子底部平衡一颗豌豆。

该光悬浮技术,是否为真?有学者持怀疑态度

特拉维夫大学(telaviv University)的物理学家耶尔•罗伊奇曼(Yael Roichman)认为:"

当他们说他们有一个厘米大小的物体可以利用光动力悬浮时,我非常怀疑。"虽然他没有参与这项研究。

罗伊奇曼(Roichman)研究光学诱捕,并曾使用激光使尘埃粒子悬浮。传统的光泳实验依靠温度梯度——热面和冷面来推动物体。这限制了物体只能远离能量源,从而扼杀了太阳能悬浮的希望。但她表示,罗伊奇曼(Roichman)的想法是不同的。

无论光的来源与悬浮器的关系如何,它都会到达朝下的纳米管并提供升力。"他们所做的并不取决于温度梯度,其提供一个非常小的力量,但取决于完全不同的东西。。

我认为这实际上是潜在、非常有用和创新的。它看起来很简单,但其实并不简单。"

阿扎迪(Azadi)第一次捕捉到悬浮行为后,他立即冲到电脑前,将实验的准确物理参数打入他的理论模型中。他们观察到的悬浮行为与他们提出的理论相符。"它工作的压力范围,光照强度最大化的范围——都符合我所看到的。"阿扎迪解释道:"

所以那是一个非常激动人心的时刻,看到了理论的有效性,而且它与实验非常吻合。"

这一验证意味着,他们现在可以使用他们的模型来预测不同尺寸的微混合器在任何大气条件下的行为。例如,他们可以计算出一个板的直径,这个板可以在特定的高度上携带最重的有效载荷,而不会因为太宽而无法漂浮。

他们的模拟估计,

在自然阳光下,一个6厘米的平板可以在中间层携带10毫克的货物。10毫克听起来可能不算多,一滴水的重量是其五倍。

但工程技术上的进步已经将硅芯片,缩小到比这更小的灰尘大小的传感器。这些 "智能尘埃 "系统可以在只有一毫米宽的立方体中容纳一个电源、无线电通信和一个数据收集传感器。"当你给他们一立方毫米的硅时,研究人员可以做出无限可能。"巴格廷(Bargatin)说:"而一立方毫米的硅只有几毫克重。"

在他们的真空室测试中,他们发现,当把光照强度调到超过太阳光的功率时,那种额外的能量冲力会让飞行器飞得更高。但大约30秒后,圆盘在光动力作用下开始卷曲,最终崩溃。超薄的聚酯薄膜本身非常脆弱,巴格廷(Bargatin)说。

碳纳米管的碎片使得聚脂薄膜圆盘更加坚硬,但高速分子碰撞的力量最终会使飞片翘起。该团队的模型可以预测磁盘大小、空气压力和光照强度是什么导致了这种情况,巴加廷说,开发轻质框架的工作正在进行中。

巴格廷(Bargatin)

设想研究人员有一天会在中间层释放装有传感器的悬浮器,让他们像天气气球或漂浮的海洋传感器一样漫游。"另一种方法是真正开发出,能够控制它们去向的智能飞行器。"同样的倾斜稳定的悬浮者可以用来引导它们。

而且,他补充说,将传感器悬挂在悬浮器上,就像降落伞悬挂在天幕上一样,将有助于在面对风时保持系统的直立。

不过,马什还是不相信这样的设备能够经受住中间层的条件。他写道:"任何仪器都必须在中间层的极端条件下运行,那里的平均风速很容易超过160公里/小时"。

中上气层的风会特别切变,温度会降到-140℃,空间天气通过中气层辐射,会破坏通讯系统。

美国宇航局戈达德太空飞行中心地球科学首席科学家保罗纽曼(Paul Newman)也认为,计算中层风将是一项巨大的技术挑战,但他不禁为可能的应用感到高兴。"实际上,我认为这是一个非常酷的想法。"他说。一种可能性是探测中间层的水蒸气,在那里,极地云形成得如此之高,以至于太阳在夜间仍能照亮它们。

纽曼(Newman)说,这些神秘的云层不仅仅美丽,它们可能与温室气体的增加有关,这意味着它们可能会变得更加常见——但研究人员不能像他们希望的那样追踪中间层的含水量和温度。中层云层是“气候变化的另一个迹象”。而我们需要信息来证明这一点。这就是为什么这些对于获取大气成分数据来说非常酷的原因。"

这一有趣的发明——将可以用于火星探险中

纽曼(Newman)补充说,板块的微小性和悬浮能力对火星研究来说也可能是有趣的。火星大气层的气压与地球的中间层相似,所以也许轻巧、自主的悬浮器可以收集温度或成分测量。他对此幻想着:"你可以每天只起飞一次,然后上去,然后回来降落在你的小火星登陆器上。我们没有关于火星的信息。但这一可能性这太棒了。" (

最近NASA已经着陆的“毅力号”火星车,将准备试飞一架名为“灵巧”号的小型无人机,作为其即将着陆的“路虎”任务的一部分,但这架无人机将更大,而且仍处于试飞阶段;它是作为人类在火星执行无人机试验的里程碑。)

巴加廷(Bargatin)表示,

他们目前正在探索火星的应用,研究团队还希望让他们的微型飞行器在地球的海平面上工作。但无论最终的用途如何,阿扎迪永远记得第一次看到聚酯薄膜创造的漂浮物,这完全符合他的理论预测。他有趣得总结道:"在那之后,我打电话给我的女朋友就会说,"我想我马上就要毕业了"。

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