通常情況下，我們吹一口氣就能讓一片紙屑或塑料袋在空中停留片刻的飛行狀態，但停止吹氣，它們就會喪失“動力”，很快落到地面。至今，所有傳統飛行器基本也都需要有燃料或電能載荷、動力系統和機翼旋翼等才能保持飛行。
如今，賓夕法尼亞大學機械工程師伊戈爾·巴爾加廷（Igor Bargatin）開發出一種微型懸浮“納米紙板”飛行器，它們能像懸浮在陽光中的塵埃一樣飛揚，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，巴爾加廷和團隊就把利用光懸浮的納米級材料研究成果發表在Nature Communications雜志上，此后他們就一直在探索該技術的發展，并弄清楚其實際的應用性。
圖｜伊戈爾·巴爾加廷在他的實驗室中（來源：賓夕法尼亞大學）
由于復雜的電子設備要求，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。現在，巴爾加廷團隊利用具有50 nm厚度的納米材料結構板，可以實現毫米到厘米級的光懸浮，納米紙板不是通過傳統的轉子或機翼來產生升力，而是基于極低的質量和導熱性，通過光能在板內的微通道產生的熱能差而懸浮。
圖｜納米紙板需要在專門的潔凈環境實驗室內精心制作（來源：賓夕法尼亞大學）
這項研究的靈感來自已經存在了一個多世紀的儀器：光能輻射計，該儀器也被稱為太陽風車，它本質上是部分處于真空狀態的玻璃燈泡，內部裝設一組金屬葉片，葉片的一面是黑色，另一面是白色，當有光線照射時葉片會轉動，光線愈強旋轉愈快，從而提供簡單的電磁輻射強度定量測量。
當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。“然后發生的是，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。在物理學中，我們知道，只要動量或速度發生變化，就必定會有后坐力，反作用力必定會出現。后坐力在葉片較熱的黑色側面上推動的力要強于在較冷的白色側面上，如果將其放在陽光直射的地方，可以使光能輻射計旋轉得相當快。”巴爾加廷解釋說。
盡管光能輻射計已經存在了一個多世紀，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新的地方。
圖｜納米紙板是一種中空的、板狀的氧化鋁膜狀產物，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，研究人員創造了一種類似于瓦楞紙板的三明治結構，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）就可以使其產生動能，隨著板的一側變熱，溫差使得循環空氣通過板的中空結構，僅基于結構中存在的溫差，就會產生空氣射流和相應的升力，將納米紙板推離地面。
大約20年來，學者們一直在探索“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，而無需讓第一響應者冒險，也無需考慮能量不足或者機械飛行器損壞。
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域，距地球約30到50英里）中的狀態，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，這樣的新結構僅在太陽光的能量作用下就可以一直懸浮在大氣層中。
新的研究表明，如果在類似于火星的環境中，納米紙板飛行器實際上可承載的重量是自身重量的十倍，而火星具有相對較薄的大氣層和較弱的重力，這種不需要旋翼或螺旋槳的微型飛機可能是未來星球漫游者的一項隨身任務。
巴爾加廷表示：“火星直升機固然令人興奮，但它仍然是一臺復雜的機器，如果出現任何問題，在外太空的探索實驗就會終結，因為無法遠程修復它。納米紙板飛行器是一種完全不同的方法，除了攜帶傳感器之外，還可以簡單地降落，并使塵埃或沙粒被動地粘附在其上，然后將它們運送回流動站。”
接下來，研究人員還在繼續改進他們的納米板技術，并在低壓試驗室測試這種材料，以研究納米紙板在強光照射下的懸浮能力，測試它對陽光和聚焦激光的反應能力，最終也許會誕生一種持續受控的全新飛行方式。
參考：
https://www.universetoday.com/145948/tiny-cardboard-aircraft-could-fly-in-the-skies-of-mars/
https://penntoday.upenn.edu/news/nanocardboard-new-way-fly-built-nanoscale
來源：都保杰DeepTech深科技
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