Исследователи Левитировали Небольшой Поднос, Используя Только Свет

Чтобы пересмотреть эту статью, посетите Мой профиль, а затем просмотрите сохраненные истории.

Чтобы пересмотреть эту статью, посетите Мой профиль, а затем просмотрите сохраненные истории.

В подвале инженерного корпуса Пенсильванского университета Мохсен Азади и его коллеги по лаборатории сгрудились вокруг набора ослепляющих светодиодов, установленных под акриловой вакуумной камерой. Они уставились на огни, на свои камеры и на то, что, как они надеялись, скоро будет каким-то действием от двух крошечных пластиковых пластинок, расположенных внутри ограждения. «Мы не знали, что мы ожидали увидеть», — говорит Азади, кандидат технических наук в области машиностроения. «Но мы надеялись что-нибудь увидеть».

Скажем так: они хотели посмотреть, будут ли эти пластины левитировать, поднимаемые исключительно силой света. Световой поток, или фотофорез, сам по себе не является прорывом. Исследователи использовали это физическое явление для перемещения невидимых аэрозолей и сортировки частиц в микрофлюидных устройствах. Но они никогда раньше не перемещали объект, достаточно большой, чтобы его можно было схватить, и тем более не поднимали ничего, что могло бы нести предметы само по себе.

И это сработало. «Когда два образца были сняты, — говорит Азади, — у всех нас четверых перехватило дыхание». Согласно статье, опубликованной сегодня в журнале Science Advances, пластины из майлара, каждая шириной с диаметр карандаша, зависали только благодаря энергии света внизу. Энергия от светодиодов нагревает специально покрытое подбрюшье Майлара, заряжая частицы воздуха под пластиком и отбрасывая пластины крошечным, но мощным порывом.

Эта спроектированная конструкция является первым примером стабильного фотофоретического полета, и сопутствующая теоретическая модель Азади может имитировать поведение различных летающих тарелок в атмосфере. В частности, модель показывает, что левитирующая пластина может пролететь 50 миль над головой, перевозя груз размером с датчик. Это идея, которую члены лаборатории выдвинули как способ изучения погоды и климата, хотя ученые—атмосферисты говорят, что эта идея все еще является предварительной и столкнется с некоторыми сложными метеорологическими проблемами.

Есть причина, по которой ученые хотели бы установить крошечный датчик в малоисследованную мезосферу, которая находится между 31 и 53 милями над вашей головой. «Иногда это в шутку называют невежеством», — говорит Игорь Баргатин, профессор машиностроения в Пенсильвании и советник Азади, который руководил исследованием. «У нас просто нет доступа к нему. Вы можете отправлять ракету на несколько минут за раз, но это сильно отличается от проведения измерений с помощью самолетов или воздушных шаров».

Мы игнорировали мезосферу не потому, что она неинтересна; мы игнорировали ее, потому что она недоступна. Более плотный воздух под ним обеспечивает достаточную подъемную силу для самолетов и воздушных шаров. И термосфера выше достаточно тонкая, чтобы сопротивление воздуха не сжигало орбитальные спутники. Мезосфера получает худшее из обоих миров — она слишком тонкая для подъема, но достаточно толстая, чтобы сжечь орбитальный аппарат.

Это обуза для ученых, потому что мезосфера полна интересных явлений, таких как странные синие и красные молнии и микроскопические осколки миллионов метеоров — падающих звезд, — проносящихся сквозь нее каждый день. По словам Дэниела Марша, ученого-атмосферника из Национального центра атмосферных исследований, химия в этом слое также ценна для ученых, заинтересованных в отслеживании повреждения озона. «Солнечные бури заставляют энергетические частицы проникать в мезосферу, создавая оксид азота», — написал Марш в электронном письме в WIRED. Этот оксид азота просачивается ниже в атмосферу и разъедает защитный стратосферный озон Земли.

Отправка научных зондов непосредственно в эту зону требует разработки совершенно нового способа полета, говорит Баргатин. И использование света имеет смысл из-за его внутренней энергии. Ученые проверили идею улавливания импульса легких частиц в солнечных парусах для путешествия в глубокий космос со скоростью 10 процентов скорости света, но эта идея рушится в гравитации мезосферы. За последнее столетие физики стали более комфортно использовать свет для перемещения материи другими способами. Лазеры могут подталкивать белки и шарики, сортировать клетки и выщипывать молекулы, например, пинцетом. «Почти все исследования, которые были проведены до сих пор, были сосредоточены на микроскопических частицах», — говорит Баргатин. В прошлом году его лаборатория опубликовала статью в журнале Advanced Materials, в которой сообщалось о поломанном листе на основе алюминия, который мог парить над воздушной подушкой. Но это новое исследование возлагает большие надежды на разработку системы полета, настолько стабильной, что исследователи могли бы просто выпустить эти устройства в мезосферу.

Азади начал с основ, составив схему конструкции левитатора и наметив, какие физические силы могут заставить свет двигаться по поверхности. Он проводил мысленные эксперименты так же просто, как представлял, как бросает сферы в стену. «Что мы можем сделать с поверхностью стены, чтобы, когда мы бросаем сферу в стену и она отскакивает, она отскакивала быстрее?» — говорит Азади.

«У меня просто был бы лист бумаги и ручка, и я попытался бы нарисовать разные вещи, — продолжает он, — и превратить эти очень простые мысленные эксперименты в математические, строгие формулы».

В конце концов команда остановилась на дизайне: плоском диске с двумя различными гранями. Для верха они выбрали майлар, блестящий пластик, используемый в тепловых одеялах. Майлар дешевый, легкий и гладкий, а некоторые версии непостижимо тонкие — в данном случае всего 500 нанометров толщиной. Это в 50 раз тоньше, чем бытовая обертка, и настолько тонкая, что на самом деле прозрачная. Для нижней стороны команда Баргатина покрыла поверхность Майлара ворсистым ковром из крошечных углеродных нитей в форме стержней, называемых углеродными нанотрубками. Каждая нанотрубка имеет всего несколько атомов в поперечнике и примерно такую же длину, как прядь волос в ширину.

После того, как молекула окружающего газа из воздуха сталкивается с теплым объектом, она улавливает небольшое количество энергии и отскакивает быстрее, чем прибыла. (Термодинамика диктует, что более горячая частица является более быстрой частицей.) Но не каждая поверхность одинаково передает эту энергию газам. Некоторые, как гладкий лист майлара, выбрасывают молекулы газа с небольшим ускорением. Другие поверхности, такие как спутанная мешанина углеродных нанотрубок, могут улавливать и нагревать молекулы газа так сильно, что они разгораются намного быстрее.

Когда этот угольно-черный углеродный ковер поглощает свет, его спутанная мешанина нанотрубок нагревается. Молекулы газа, которые проскальзывают в ворсинку, затем сталкиваются с таким количеством укромных уголков, что нагреваются больше, чем молекулы, отскакивающие от гладкой верхней поверхности. Этот поток молекул, падающих с нижней поверхности быстрее, чем с верхней, создает подъемную силу, говорит Баргатин. «Если вы бросите достаточно молекул вниз, вы создадите струю», — говорит Баргатин. «Это то, что делают вертолеты».

В тот день в конце 2019 года, когда Азади и остальная команда собрались вокруг вакуумной камеры, чтобы впервые опробовать дизайн нанотрубок, Азади позволил мини-волшебным коврам парить в нескольких миллиметрах над поверхностью при давлении, подобном мезосфере. В одном случае две майларовые пластины кружили друг вокруг друга, как будто танцевали. «Мы решили назвать этот шаг, потому что он так прекрасно сработал», — говорит Азади. «Это выглядело так, как будто двое из них танцевали один и тот же очень гармоничный танец. Это было что-то вроде, давайте назовем это «Танго».»

Окружив один центральный светодиод кольцом более интенсивных светодиодов, установленных под вакуумной камерой, они также смогли продемонстрировать стабильную левитацию. Эта установка удерживает левитирующую пластину в оптической ловушке — если пластина начинает наклоняться и уменьшаться, граница света возвращает ее к центру. Левитация без этой уравновешивающей силы подобна балансированию горошины на нижней стороне ложки.

«Когда они сказали, что у них есть объект размером в сантиметр, который они могут левитировать с помощью фотофоретических сил, я был очень скептичен», — говорит Яэль Ройхман, физик из Тель-Авивского университета, который не принимал участия в исследовании. Ройхман изучает оптическое улавливание и использовал лазеры для левитации частиц пыли. Обычные эксперименты по фотофорезу основаны на градиенте температуры — горячем и холодном лице — для перемещения объектов. Это ограничивает объект только удалением от источника энергии, сводя на нет надежды на левитацию на солнце. Но она говорит, что идея Баргатина другая. Независимо от того, откуда исходит свет по отношению к левитатору, он достигнет обращенных вниз нанотрубок и обеспечит подъем. «То, что они сделали, не зависит от температурного градиента, который дает вам очень небольшие силы, но зависит от чего-то совершенно другого», — говорит она. «Я думаю, что это на самом деле потенциально очень полезно и инновационно. Это кажется простым, но это не так просто».

Сразу же после того, как Азади впервые зафиксировал левитацию, он бросился к своему компьютеру и ввел точные физические параметры эксперимента в свою теоретическую модель. Поведение при зависании, которое они наблюдали, соответствовало разработанной ими теории. «Диапазон давления, при котором он работает, диапазон интенсивности света, при котором силы максимизируются, — все они соответствовали тому, что я видел», — говорит Азади. «Так что это был очень волнующий момент — увидеть, что теория работает и действительно хорошо соответствует экспериментам».; Эта проверка означала, что теперь они могли использовать свою модель для прогнозирования поведения микрофлаеров разных размеров в любых атмосферных условиях. Они могли бы рассчитать, например, диаметр пластины, которая могла бы нести самую тяжелую полезную нагрузку на определенной высоте, не будучи слишком широкой для плавания.

Их моделирование показало, что 6-сантиметровая пластина может перевозить 10 миллиграммов груза в мезосфере при естественном солнечном свете. Десять миллиграммов может показаться не так уж много; капля воды весит в пять раз больше. Но инженерные достижения превратили кремниевые чипы в датчики размером с пыль, намного меньшие, чем это. Эти системы «умной пыли» могут вместить источник питания, радиосвязь и датчик сбора данных в кубах диаметром всего миллиметр. «Исследователи могут многое сделать, если вы дадите им кубический миллиметр кремния», — говорит Баргатин. «А кубический миллиметр кремния весит пару миллиграммов».

В ходе испытания в вакуумной камере они обнаружили, что при увеличении интенсивности света выше мощности солнечного света этот дополнительный прилив энергии поднимал флаер выше. Но примерно через 30 секунд диск начал сворачиваться от фотофоретической силы и в конце концов разрушился. Ультратонкий майлар сам по себе очень непрочный, говорит Баргатин. Слой углеродных нанотрубок делает майларовый диск более жестким, но сила высокоскоростных молекулярных столкновений в конечном итоге прогибает листовку. Модель команды может предсказать, какие размеры дисков, давление воздуха и интенсивность света вызывают это, и Баргатин говорит, что работа по разработке облегченной рамы продолжается.

Баргатин предполагает, что однажды исследователи выпустят в мезосферу левитаторы с датчиками и позволят им перемещаться, как метеозонды или плавающие датчики океана. «Другой подход заключается в том, чтобы на самом деле разработать умные листовки, которые могут контролировать, куда они направляются», — говорит он. Тот же наклон, который стабилизирует левитаторы, может быть использован для их управления. И, добавляет он, подвешивание датчика к левитатору, как парашютиста, свисающего с купола, поможет сохранить систему в вертикальном положении при столкновении с ветром.

Тем не менее, Марш не уверен, что такое устройство сможет выдержать мезосферные условия. «Любому прибору придется работать в экстремальных условиях мезосферы, где средние ветры могут легко превышать 100 миль в час», — пишет он. Ветры в верхней мезосфере могут быть особенно резкими, температура может опускаться до 140 градусов ниже нуля, а космическая погода излучается через мезосферу и может повредить системы связи.

Пол Ньюман, главный научный сотрудник по наукам о Земле в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА, согласен с тем, что учет мезосферного ветра будет большой технической проблемой, но он не может не радоваться возможным применениям. «Я действительно думаю, что это действительно классная идея», — говорит он. Одной из возможностей было бы исследовать водяной пар в мезосфере, где полярные облака формируются так высоко, что солнце все еще освещает их ночью. Таинственные облака не просто красивы, говорит Ньюман; их возможная связь с увеличением выбросов парниковых газов означает, что они могут стать более распространенными, но исследователи не могут отслеживать содержание воды и температуру в мезосфере так хорошо, как им хотелось бы. Мезосферные облака являются «еще одним признаком изменения климата. И нам нужна информация, чтобы показать это», — говорит Ньюман. «Вот почему это может быть действительно здорово для получения данных о составе атмосферы».

Ньюман добавляет, что крошечность пластин и способность к левитации также могут быть интересны для исследований Марса. Давление воздуха в атмосфере Марса аналогично мезосфере Земли, поэтому, возможно, легкие автономные левитаторы могли бы собирать измерения температуры или состава. «Вы можете просто взлетать один раз в день, подниматься, а затем возвращаться и приземляться на своем маленьком марсианском посадочном модуле», — воображает он. «У нас нет такой информации о Марсе. Это было бы просто фантастически». (НАСА планирует протестировать небольшой вертолет под названием Ingenuity в рамках своей миссии марсохода Perseverance, которая скоро выйдет на сушу, но этот корабль будет намного больше и все еще находится на стадии испытательного полета; он еще не готов к научным миссиям.)

Баргатин говорит, что в настоящее время они изучают приложения для Марса, и что команда также надеется заставить свои микрофлаеры работать на уровне моря на Земле. Но независимо от любого возможного использования, Азади всегда будет помнить, как впервые увидел, как творение Майлара плавает, в точности в соответствии с его теоретическими предсказаниями. «После этого, — говорит он, — я позвонил своей девушке и сказал: «Я думаю, что скоро закончу школу»».

https://www.wired.com/story/researchers-levitated-a-small-tray-using-nothing-but-light/

Ссылка на основную публикацию