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超薄“納米紙板”可實現(xiàn)光照懸浮，未來或用于火星探測 如今，賓夕法尼亞大學(xué)機(jī)械工程師伊戈爾 · 巴爾加廷（Igor Bargatin）開發(fā)出一種微型懸浮 “納米紙板” 飛行器，它們能像懸浮在陽光中的塵埃一樣飛揚(yáng)，但具有目的性。這種 “納米紙板” 的重量不到千分之一克，但足夠堅硬，可以抵抗一定的沖擊力。 最神奇的是，只需要一束光的能量，它就能飛起來，在沒有任何飛行部件的情況下飛來飛去，研究人員目前正在進(jìn)一步探索這種材料有效載荷飛行的可能，將來或用于火星探索。 2018 年，巴爾加廷和團(tuán)隊就把利用光懸浮的納米級材料研究成果發(fā)表在 Nature Communications 雜志上，此后他們就一直在探索該技術(shù)的發(fā)展，并弄清楚其實際的應(yīng)用性。  圖｜伊戈爾 · 巴爾加廷在他的實驗室中（來源：賓夕法尼亞大學(xué)） 由于復(fù)雜的電子設(shè)備要求，將微型旋翼和襟翼飛行器的比例縮小至亞厘米尺寸是一項巨大挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，巴爾加廷團(tuán)隊利用具有 50 nm 厚度的納米材料結(jié)構(gòu)板，可以實現(xiàn)毫米到厘米級的光懸浮，納米紙板不是通過傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子或機(jī)翼來產(chǎn)生升力，而是基于極低的質(zhì)量和導(dǎo)熱性，通過光能在板內(nèi)的微通道產(chǎn)生的熱能差而懸浮。  圖｜納米紙板需要在專門的潔凈環(huán)境實驗室內(nèi)精心制作（來源：賓夕法尼亞大學(xué)） 這項研究的靈感來自已經(jīng)存在了一個多世紀(jì)的儀器：光能輻射計，該儀器也被稱為太陽風(fēng)車，它本質(zhì)上是部分處于真空狀態(tài)的玻璃燈泡，內(nèi)部裝設(shè)一組金屬葉片，葉片的一面是黑色，另一面是白色，當(dāng)有光線照射時葉片會轉(zhuǎn)動，光線愈強(qiáng)旋轉(zhuǎn)愈快，從而提供簡單的電磁輻射強(qiáng)度定量測量。  圖｜運(yùn)轉(zhuǎn)中的光能輻射計（來源：維基百科） 當(dāng)輻射計暴露在陽光下時，葉片的黑色面會吸收一些能量并變熱一點�！叭缓蟀l(fā)生的是，空氣分子撞到了黑色的一面，吸收了一些熱量，然后以比原先更快的速度離開。在物理學(xué)中，我們知道，只要動量或速度發(fā)生變化，就必定會有后坐力，反作用力必定會出現(xiàn)。后坐力在葉片較熱的黑色側(cè)面上推動的力要強(qiáng)于在較冷的白色側(cè)面上，如果將其放在陽光直射的地方，可以使光能輻射計旋轉(zhuǎn)得相當(dāng)快�！� 巴爾加廷解釋說。 盡管光能輻射計已經(jīng)存在了一個多世紀(jì)，但還沒有人能夠使用這些力來克服重力并使葉片懸浮，這就是新的納米紙板創(chuàng)新的地方。  圖｜納米紙板是一種中空的、板狀的氧化鋁膜狀產(chǎn)物，上面有狹縫狀的通道（來源：Universetoday） 納米紙板由厚度為幾十納米的氧化鋁膜制成，為了 “建造” 它，研究人員創(chuàng)造了一種類似于瓦楞紙板的三明治結(jié)構(gòu)，形成了一個幾十微米高的中空板。由于材料是超輕的，因此極少的能量（僅一束光束）就可以使其產(chǎn)生動能，隨著板的一側(cè)變熱，溫差使得循環(huán)空氣通過板的中空結(jié)構(gòu)，僅基于結(jié)構(gòu)中存在的溫差，就會產(chǎn)生空氣射流和相應(yīng)的升力，將納米紙板推離地面。 大約 20 年來，學(xué)者們一直在探索 “智能塵埃” 的概念：可以用作傳感器，測量溫度、壓力等的超小顆粒。 想象一下使用 “微型飛行器” 進(jìn)行搜索和救援的操作，該飛行器可以在瓦礫中的微小洞中飛來飛去，幫助找到被困人員，而無需讓第一響應(yīng)者冒險，也無需考慮能量不足或者機(jī)械飛行器損壞。 目前研究人員還在測試納米紙板在地球大氣中層（平流層以上和熱層以下的區(qū)域，距地球約 30 到 50 英里）中的狀態(tài)，這是一個完美的選擇，因為在降低的氣壓下，電泳射流變得更快，從而可能讓納米紙板攜帶比本身重的載荷懸浮飛行，這樣的新結(jié)構(gòu)僅在太陽光的能量作用下就可以一直懸浮在大氣層中。 |
