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飞行新方式:纳米纸板实现光照悬浮

时间:2020-07-08     作者:文/Gwyneth K.Shaw 编译 李雨蒙【转载】   来自:《中国民商》2020年07期

实中,我们对着一张纸吹气会发生什么?它可能会飞起来,然后又快速下降。现在我们来设想一下,一个超轻材料足够坚硬到保持自身的挺立,同时又足够轻盈到以最小的能量——一束光就能让它腾空漂浮。近日,在机械工程师Igor Bargatin的实验室里,这种设想变为了现实。

经过多年的研究与完善,Bargatin和他的团队已经研发出一款称为“纳米纸板”(Nanocardboard)的新型材料,这种材料只有几缕DNA那样薄,重量不到千分之一克,却足够坚硬以阻挡下落。实际上,这种材料是一种固体和真空所组成的复合材料。研究人员将固体材料放在最要紧的位置,同时利用失重的真空状态。在过去的多年中,Bargatin团队一直在研究感光机械超材料:它们的结构极薄,或许只有几十个纳米的厚度,但却大到足以放在手中。

Bargatin从一个简单的仪器中得到灵感,这就是已经存在了超过一个世纪的光辐射计(Crookes radiometer),同时也被称为太阳风车。实际上,这个仪器是一个部分真空的玻璃灯泡,内部装设一组金属叶片,叶片的一面是黑色,另一面是白色。当有光线照射时叶片会转动,光线越强旋转会越快,进而提供简单的电磁辐射强度定量测量。

当辐射计暴露在阳光下时,叶片的黑色面会吸收一些能量,且温度升高一些。接下来,空气分子碰撞黑色面,吸收了部分热量,然后以比最初更快的速度离开。我们知道无论何时改变了动力和速度,就一定会有一个后坐力,同时也会产生反作用力。相比叶片温度更低的白色面,后坐力在温度更高的黑色面上会施加更强的力度。因此,当光辐射计被直接放置在日光下,它会旋转得非常快。

有时候,人们认为光辐射计是由光压驱动的。事实上,光压的确存在,但却比想象中小得多。我们观察和使用的力是一种热效应,源自于气体分子和加热物体之间的交互作用。虽然光辐射计已经存在有一个多世纪,但是无人能够运用任何力量克服地心引力,使叶片漂浮在空中。这正是新型纳米纸板出现的意义所在,因为它们足够轻盈。热力太小不足以提起纸张,却可以将纳米纸片丢进空气中。

纳米纸板由厚度几十纳米的氧化铝膜制成,研究人员用一种类似于瓦楞纸板的三明治结构来制作,形成了一个几十微米高的中空板。由于材料是超轻的,所以极少的能量——仅一束光束就可以使其产生动能。随着板的一侧变热,基于结构中存在的温差,使得循环空气通过板的中空结构,就能产生空气射流和相应的升力,将纳米纸板推离地面。

据研究人员介绍,氧化铝实际上是一种陶瓷材料,人们会认为它非常容易破裂,但令人惊喜的是,它并不会破裂。这种材料弯曲、扭曲和恢复结构的方式,或许会让你认为它是由塑料制成的。蜂窝结构的薄层使其更加坚硬,从而避免自身出现折叠或者被卡在某一物体中。如果材料出现裂缝,也不会延伸至整个结构,当裂缝进入垂直皱状壁时会停止扩散。

Bargatin表示:“从本质上来讲,这是一种全新的飞行原理,这太令人兴奋了。”我们一直在讨论一种半英寸大小的结构,在不移动任何部位的情况下,在物体四周飞行。这些结构创造了一股风和一种相应的上升力,正是来自于结构中存在的温度差。

我们要思考一下在有效载荷方面我们还能施加多少力,还能做哪些工作?还有无数的可能性等待我们去解决。在光的使用方面,无论是太阳光还是激光束,能为一个飞行设备供应电力,都打开了光致应用的大门。在过去的20年里,科学界一直在探索一种名为“智能微尘”的概念——超微粒子能够用作传感器、测量温度和压力等多种用途。

如果在搜索救援行动中,能够使用可以进出碎石孔洞的微型飞行器,就可以帮助找到受困的人员,而无需让急救人员处在危险中进行救援。再或者是一个载有摄像机的小型机器人,如果能够检查喷射发动机内部是否有磨损等问题,就无需将发动机拆开进行检查了。在某种程度上,体积变小会影响机器的性能。可是,传统带有旋翼和翅膀的微型飞行器,由于小规模的空气黏度增加,它们在收缩时需要更多的能量。这正是纳米纸板材料的另一大优势,能够利用光致漂移。

当前版本的纳米纸板运用光致漂移,是无法在靠近海平面附近飞行的。但却可以在中间层——平流层以上、热大气层以下的区域飞行,大约是超出地表30-50英里的区域,因为在较低的气压下,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飞行,这样的新结构仅在太阳光的能量作用下就可以一直悬浮在大气层中。为什么中间层飞机将会更具价值?因为中间层将会是天气传感器停留的绝佳地带。人类将会发现飞机在所有海拔位置的新应用。

氧化铝膜的复合物质在光致漂浮方面显现出了巨大前景,每层材料堆叠在一起将空气的含量最大化,同时也维持了材料的硬度。Bargatin表示:“如果你试着制作一个只有几个纳米厚的盘子,它的质地会非常松软,就像保鲜膜一样,这样的厚度比我们所研究材料还要厚1000倍。“纳米纸板或是纳米级的三明治结构,能够让我们创造出极薄和极轻的设备,同时又非常坚硬。”

在过去两年多的时间里,研究人员Nicaise一直在研究纳米纸板,他认为:“能够看到只有几十纳米厚的结构真是不可思议——将它放置在肉眼可见的结构中,用镊子或手拿起来,借着日光就能够随意活动,这在过去的纳米研究中是难以实现的。”

最新的研究发现,如果在类似于火星的环境中,纳米纸板飞行器实际上可承载的重量是自身重量的10倍,而火星具有相对较薄的大气层和较弱的重力,这种不需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装备。

Bargatin表示:“火星直升机的确令人兴奋,但它是一台复杂的机器,如果出现任何问题,在外太空的探索实验就会终结,因为无法远程修复它。纳米纸板飞行器是一种完全不同的方法,除了携带传感器之外,还可以简单地降落,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。”

编译自Penn Today网

 (责任编辑 姜懿翀)


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