超薄“纳米纸板”可实现光照悬浮未来或用于火星探测

如今，宾夕法尼亚大学机器工程师伊戈尔 巴尔加廷（Igor Bargatin）开拓出一种微型悬浮 “纳米纸板” 翱翔器，它们能像悬浮在阳光中的尘埃一样飞扬，但具有目的性。

最神奇的是，只须要一束光的能量，它就能飞起来，在没有任何翱翔部件的情形下飞来飞去，研究职员目前正在进一步探索这种材料有效载荷翱翔的可能，将来或用于火星探索。

2018 年，巴尔加廷和团队就把利用光悬浮的纳米级材料研究成果揭橥在 Nature Communications 杂志上，此后他们就一贯在探索该技能的发展，并弄清楚其实际的运用性。

图｜伊戈尔 巴尔加廷在他的实验室中（来源：宾夕法尼亚大学）

由于繁芜的电子设备哀求，将微型旋翼和襟翼翱翔器的比例缩小至亚厘米尺寸是一项巨大寻衅。
现在，巴尔加廷团队利用具有 50 nm 厚度的纳米材料构造板，可以实现毫米到厘米级的光悬浮，纳米纸板不是通过传统的转子或机翼来产生升力，而是基于极低的质量和导热性，通过光能在板内的微通道产生的热能差而悬浮。

图｜纳米纸板须要在专门的清洁环境实验室内精心制作（来源：宾夕法尼亚大学）

这项研究的灵感来自已经存在了一个多世纪的仪器：光能辐射计，该仪器也被称为太阳风车，它实质上是部分处于真空状态的玻璃灯泡，内部装设一组金属叶片，叶片的一壁是玄色，另一壁是白色，当有光芒照射时叶片会迁徙改变，光芒愈强旋转愈快，从而供应大略的电磁辐射强度定量丈量。

图｜运转中的光能辐射计（来源：维基百科）

当辐射计暴露在阳光下时，叶片的玄色面会接管一些能量并变热一点。
“然后发生的是，空气分子撞到了玄色的一壁，接管了一些热量，然后以比原来更快的速率离开。
在物理学中，我们知道，只要动量或速率发生变革，就必定会有后坐力，反浸染力必定会涌现。
后坐力在叶片较热的玄色侧面上推动的力要强于在较冷的白色侧面上，如果将其放在阳光直射的地方，可以使光能辐射计旋转得相称快。
” 巴尔加廷阐明说。

只管光能辐射计已经存在了一个多世纪，但还没有人能够利用这些力来战胜重力并使叶片悬浮，这便是新的纳米纸板创新的地方。

图｜纳米纸板是一种中空的、板状的氧化铝膜状产物，上面有狭缝状的通道（来源：Universetoday）

纳米纸板由厚度为几十纳米的氧化铝膜制成，为了 “建造” 它，研究职员创造了一种类似于瓦楞纸板的三明治构造，形成了一个几十微米高的中空板。
由于材料是超轻的，因此极少的能量（仅一束光束）就可以使其产生动能，随着板的一侧变热，温差使得循环空气通过板的中空构造，仅基于构造中存在的温差，就会产生空气射流和相应的升力，将纳米纸板推离地面。

大约 20 年来，学者们一贯在探索 “智能尘埃” 的观点：可以用作传感器，丈量温度、压力等的超小颗粒。

想象一下利用 “微型翱翔器” 进行搜索和接济的操作，该翱翔器可以在瓦砾中的眇小洞中飞来飞去，帮助找到被困职员，而无需让第一相应者冒险，也无需考虑能量不敷或者机器翱翔器破坏。

目前研究职员还在测试纳米纸板在地球大气中层（平流层以上和热层以下的区域，距地球约 30 到 50 英里）中的状态，这是一个完美的选择，由于在降落的气压下，电泳射流变得更快，从而可能让纳米纸板携带比本身重的载荷悬浮翱翔，这样的新构造仅在太阳光的能量浸染下就可以一贯悬浮在大气层中。

图｜NASA 对外公布的“火星直升机”（来源：NASA）

新的研究表明，如果在类似于火星的环境中，纳米纸板翱翔器实际上可承载的重量是自身重量的十倍，而火星具有相对较薄的大气层和较弱的重力，这种不须要旋翼或螺旋桨的微型飞机可能是未来星球漫游者的一项随身任务。

巴尔加廷表示：“火星直升机固然令人愉快，但它仍旧是一台繁芜的机器，如果涌现任何问题，在外太空的探索实验就会闭幕，由于无法远程修复它。
纳米纸板翱翔器是一种完备不同的方法，除了携带传感器之外，还可以大略地降落，并使尘埃或沙粒被动地粘附在其上，然后将它们运送回流动站。
”

接下来，研究职员还在连续改进他们的纳米板技能，并在低压试验室测试这种材料，以研究纳米纸板在强光照射下的悬浮能力，测试它对阳光和聚焦激光的反应能力，终极大概会出身一种持续受控的全新翱翔办法。