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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( 二 )

火星 飞行器



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 。 \"

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