光碟機動——“反重力飛行器”：新研究只用光，就能讓物體懸浮起來
發射出去了光會繼續飛行嗎
有朝一日，基於這種光誘導流技術的 “魔毯 ”可以在大氣層高處搭載氣候感測器——如果風向允許的話。
在賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）一棟工程大樓的地下室裡，
莫森·阿扎迪(Mohsen Azadi）和他的同事們擠在一組設定在丙烯酸真空室下面的刺眼LED燈周圍，展開著一個引發科技革命的實驗研究。
他們盯著燈光和相機，並希望很快就能從坐在外殼內的兩塊小塑膠盤上看到一些動作。“我們不知道我們期望看到什麼。”機械工程博士候選人阿扎迪（Azadi）說：“但我們還是執著於希望看到一些現象。”
他隨後解釋道：
他們想看看這些盤子，是否會僅僅依靠光的力量而懸浮起來
。
光誘導流動，或光泳，本身並不是一個突破。
研究人員已經利用這種物理現象，使不可見的氣溶膠漂浮起來，並在微流控裝置中對粒子進行分類。
但他們以前從未移動過一個大到足以抓住的物體——更不用說移動任何能攜帶物體的物體了
。
然而，這一實驗成功了！
阿扎迪（Azadi）說：“當兩個樣品被舉起時，我們四個人之間既是興奮，而又深怕破壞實驗屏住了呼吸。這真是一種奇妙的感覺！”根據今天發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上的一篇論文，
每一塊聚酯薄膜板都有鉛筆直徑那麼寬，除了下面光線的能量外，其他什麼都沒有，只能靠它在空中盤旋。
來自LED發光二極體的能量加熱了聚酯薄膜特殊塗層的底層，為塑膠下的空氣粒子提供能量，並以一種微小但強大的陣風將塑膠板推開。
這一工程結構是穩定的光誘導飛行的第一個例項
，阿扎迪（Azadi）附帶的理論模型可以模擬不同的飛行板在大氣中的行為。
有趣的是，該模型表明，一塊懸浮板可以在上空50英里的範圍內遊移，同時攜帶感測器大小的貨物。
這是實驗室成員提出的一個想法，作為研究天氣和氣候的一種方式——儘管大氣科學家們說，這個想法仍然是初步階段，將面臨一些嚴峻的氣象挑戰。
科學家們之所以想把一個微型感測器送入未被探索的中間層，這是有原因的，中間層位於你頭頂上方31到53英里之間。
“有時它被稱為無知圈（ignorosphere），這只是個玩笑。”伊戈爾·巴加廷（Igor Bargatin）說，他是賓夕法尼亞大學的機械工程教授和阿扎迪的顧問，也是這項研究的負責人。“
我們只是沒有渠道接觸到它。你可以一次發射火箭幾分鐘，但這與使用飛機或氣球進行測量大不相同
。”
我們沒有因為中間層無趣，而忽略它；我們忽略它，是因為它遙不可及。它下面密度更大的空氣為飛機和氣球提供了足夠的升力
。而上面的熱層足夠薄，空氣阻力不會燒壞軌道衛星。中間層是兩種情況中最糟糕的一種——它太薄了，無法提供升空，但足夠厚時，又會足以燒燬一個軌道飛行器。
這對科學家來說是一個阻礙，因為中間層充滿了許多有趣的現象，比如怪異的藍色和紅色閃電，以及數百萬顆流星形成的微小彈片
——流星，每天都灼熱著穿過中間層。據美國國家大氣研究中心（National Center for atmospheric Research）的大氣科學家丹尼爾·馬什（Daniel Marsh））稱，
這一層的化學成分對有興趣追蹤臭氧破壞的科學家也很有價值。
馬什在採訪中談道：“太陽風暴導致高能粒子進入中間層，產生一氧化氮。”。
這種一氧化氮滲入大氣層的低層，侵蝕地球保護性的平流層臭氧。
巴加廷（Bargatin）認為，
直接向這一區域傳送科學探測儀直接，需要一種全新的飛行方式。使用光是有意義的，因為它的內在能量。
科學家們已經測試了在太陽帆中捕捉輕粒子動量的想法，以10%的光速進入深空，但是這個想法在中間層的引力下就會崩潰。
在過去的一個世紀裡，物理學家們越來越習慣於用光來以其他方式移動物質。例如，鐳射可以推移蛋白質和珠子，對細胞進行分類，並像鑷子一樣拔出分子。
“到目前為止，幾乎所有的研究都集中在微觀粒子上。”巴加廷（Bargatin）說。他的實驗室去年在《先進材料》（Advanced Materials）雜誌上發表了一篇論文，
報道了一種可以懸浮在氣墊上的中空鋁基薄片。同時，這項新的研究帶來了一種更高階的設想——一個穩定的飛行系統，研究人員可以簡單地讓這些裝置在中間層釋放。
阿扎迪（Azadi）從最基礎的東西開始，繪製懸浮器的設計圖，並繪製出哪些物理力可能導致光推動表面。
他進行了一些思維實驗，簡單到想象把球體扔到牆上。“我們可以對牆的表面做些什麼，這樣當我們把球體扔到牆上，它反彈回來的時候，是否會反彈得更快？”阿扎迪說。
“我只要一張紙和一支筆，試著畫出不同的東西。”他繼續說道，“
把這些非常簡單的思維實驗變成數學上的嚴謹公式。
”
研究團隊最終確定了一個設計方案：一個有兩個不同面的扁平圓盤。在頂部，他們選擇了聚酯薄膜，那是一種用於保溫毯的閃亮塑膠。
聚脂薄膜價格便宜，重量輕，表面光滑，而且有些型號的厚度薄到難以想象——在這種情況下只有500奈米厚。這比家用的保鮮膜薄50倍，而且薄到足以完全透明。
在底部，巴加廷（Bargatin）的團隊在聚酯薄膜表面塗上了一層，由稱為碳奈米管的微小棒狀碳絲組成的“蓬鬆地毯”。
每根奈米管只有幾個原子直徑，大約有一縷頭髮的寬度那麼細。
來自空氣中的環境氣體分子與一個溫暖的物體相撞後，會吸收少量的能量，並以比到達時更快的速度彈開。
（根據熱力學定律，一個更熱的粒子肯定是一個速度更快的粒子。）但並不是每個表面都能平等地將這種能量傳遞給氣體。
有些表面，如一片光滑的聚酯薄膜，只需一點點的推動力就能將氣體分子彈走。
而其他表面，如一團雜亂無章的碳奈米管，則可以捕捉和加熱氣體分子，使其更快地發射出去。
當這塊漆黑的碳纖維地毯吸收光線時，它那一團亂的奈米管就會變暖。
滑入絨毛中的氣體分子就會與如此多的間隙相撞，以至於它們的熱量比從光滑的上表面反彈的分子還要大。
這種分子從底部表面向下噴射的速度比從頂部向上噴射的速度快，併產生了一種升力
，巴加廷（Bargatin）認為：“
你把足夠多的分子扔下去，你就會產生一股向上噴流——這就是直升機的工作原理。
”
在2019年年底的那一天，當巴加廷（Bargatin）和團隊的其他成員聚集在真空室周圍，首次嘗試奈米管設計時，
阿扎迪讓這一迷你魔毯在類似於中間層的壓力下漂浮在表面幾毫米的地方
。
在一個例子中，兩塊聚酯薄膜板互相盤旋，彷彿在跳舞。
“我們決定給這一現象命名，因為它的效果非常出色，”阿扎迪說：“看起來就像其中兩個人跳著同樣非常和諧的舞蹈。因此，我們叫它為‘探戈’也不為過。”
透過將一箇中央LED發光二極體，與設定在真空室下方的一圈更強烈的LED包圍在一起，
他們還能夠演示穩定的懸浮。這種設定使懸浮板被限制在一個光學陷阱中——如果板子開始傾斜和變焦，光邊界會迫使它回到中心。
沒有這種平衡力的懸浮就像在勺子底部平衡一顆豌豆。
該光懸浮技術，是否為真？有學者持懷疑態度
特拉維夫大學（telaviv University）的物理學家耶爾•羅伊奇曼（Yael Roichman）認為：“
當他們說他們有一個釐米大小的物體可以利用光動力懸浮時，我非常懷疑
。”雖然他沒有參與這項研究。
羅伊奇曼（Roichman）研究光學誘捕，並曾使用鐳射使塵埃粒子懸浮。傳統的光泳實驗依靠溫度梯度——熱面和冷麵來推動物體。
這限制了物體只能遠離能量源，從而扼殺了太陽能懸浮的希望。但她表示，羅伊奇曼（Roichman）的想法是不同的。
無論光的來源與懸浮器的關係如何，它都會到達朝下的奈米管並提供升力。
“他們所做的並不取決於溫度梯度，其提供一個非常小的力量，但取決於完全不同的東西。。
我認為這實際上是潛在、非常有用和創新的。它看起來很簡單，但其實並不簡單。
”
阿扎迪（Azadi）第一次捕捉到懸浮行為後，他立即衝到電腦前，將實驗的準確物理引數打入他的理論模型中。他們觀察到的懸浮行為與他們提出的理論相符。
“它工作的壓力範圍，光照強度最大化的範圍——都符合我所看到的。”阿扎迪解釋道：“
所以那是一個非常激動人心的時刻，看到了理論的有效性，而且它與實驗非常吻合。
”
這一驗證意味著，他們現在可以使用他們的模型來預測不同尺寸的微混合器在任何大氣條件下的行為。
例如，他們可以計算出一個板的直徑，這個板可以在特定的高度上攜帶最重的有效載荷，而不會因為太寬而無法漂浮。
他們的模擬估計，
在自然陽光下，一個6釐米的平板可以在中間層攜帶10毫克的貨物。
10毫克聽起來可能不算多，一滴水的重量是其五倍。
但工程技術上的進步已經將矽晶片，縮小到比這更小的灰塵大小的感測器。這些 "智慧塵埃 "系統可以在只有一毫米寬的立方體中容納一個電源、無線電通訊和一個數據收集感測器。
“當你給他們一立方毫米的矽時，研究人員可以做出無限可能。”巴格廷（Bargatin）說：“而一立方毫米的矽只有幾毫克重。”
在他們的真空室測試中，他們發現，當把光照強度調到超過太陽光的功率時，那種額外的能量衝力會讓飛行器飛得更高。
但大約30秒後，圓盤在光動力作用下開始捲曲，最終崩潰。超薄的聚酯薄膜本身非常脆弱，巴格廷（Bargatin）說。
碳奈米管的碎片使得聚脂薄膜圓盤更加堅硬，但高速分子碰撞的力量最終會使飛片翹起。該團隊的模型可以預測磁碟大小、空氣壓力和光照強度是什麼導致了這種情況，巴加廷說，開發輕質框架的工作正在進行中。
巴格廷（Bargatin）
設想研究人員有一天會在中間層釋放裝有感測器的懸浮器，讓他們像天氣氣球或漂浮的海洋感測器一樣漫遊。
“另一種方法是真正開發出，能夠控制它們去向的智慧飛行器。”同樣的傾斜穩定的懸浮者可以用來引導它們。
而且，他補充說，將感測器懸掛在懸浮器上，就像降落傘懸掛在天幕上一樣，將有助於在面對風時保持系統的直立。
不過，馬什還是不相信這樣的裝置能夠經受住中間層的條件。
他寫道：“任何儀器都必須在中間層的極端條件下執行，那裡的平均風速很容易超過160公里/小時”。
中上氣層的風會特別切變，溫度會降到-140℃，空間天氣透過中氣層輻射，會破壞通訊系統。
美國宇航局戈達德太空飛行中心地球科學首席科學家保羅紐曼（Paul Newman）也認為，計算中層風將是一項巨大的技術挑戰，但他不禁為可能的應用感到高興。
“實際上，我認為這是一個非常酷的想法。”他說。一種可能性是探測中間層的水蒸氣，在那裡，極地雲形成得如此之高，以至於太陽在夜間仍能照亮它們。
紐曼（Newman）說，這些神秘的雲層不僅僅美麗，它們可能與溫室氣體的增加有關，這意味著它們可能會變得更加常見——但研究人員不能像他們希望的那樣追蹤中間層的含水量和溫度。
中層雲層是“氣候變化的另一個跡象”。而我們需要資訊來證明這一點。這就是為什麼這些對於獲取大氣成分資料來說非常酷的原因。“
這一有趣的發明——將可以用於火星探險中
紐曼（Newman）補充說，板塊的微小性和懸浮能力對火星研究來說也可能是有趣的。火星大氣層的氣壓與地球的中間層相似，所以也許輕巧、自主的懸浮器可以收集溫度或成分測量。
他對此幻想著：”你可以每天只起飛一次，然後上去，然後回來降落在你的小火星登陸器上。我們沒有關於火星的資訊。但這一可能性這太棒了。“ （
最近NASA已經著陸的“毅力號”火星車，將準備試飛一架名為“靈巧”號的小型無人機，作為其即將著陸的“路虎”任務的一部分，但這架無人機將更大，而且仍處於試飛階段；它是作為人類在火星執行無人機試驗的里程碑
。）
巴加廷（Bargatin）表示，
他們目前正在探索火星的應用，研究團隊還希望讓他們的微型飛行器在地球的海平面上工作。
但無論最終的用途如何，阿扎迪永遠記得第一次看到聚酯薄膜創造的漂浮物，這完全符合他的理論預測。他有趣得總結道：”在那之後，我打電話給我的女朋友就會說，‘我想我馬上就要畢業了’。“
撰寫：
GolevkaTech
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