借光之力漂浮的小“魔毯”

在美国宾夕法尼亚大学的一间实验室里，穆赫辛·阿扎迪和他的同事正挤在一个真空室周围，通过外面的摄像头，眼睛紧盯着真空室内搁在架子上的两块微塑料板，架子下面亮着刺眼的LED灯。

说实话，虽然是真空室，但这一次他们没有把它抽成高度的真空。真空室内的气压保持在1标准大气压的五万分之一。这是为了模拟地球大气中间层(见小贴士：中间层)的气压条件。

你猜他们看到了什么?只见两块微塑料板缓缓地从架子上升起，像童话中会飞的“魔毯”一样，悬浮在空中，相互盘旋，仿佛在跳舞，而它们仅仅是靠底下照射的LED灯的光悬浮起来的!

另一种借光悬浮的办法

说到借助光来悬浮物体的原理，许多人最先想到的可能是光压，即光子打在物体上产生的压力。光镊子的操纵原子、分子甚至细胞，光帆的借助太阳光照射来加速，依靠的都是这一原理。但在这次实验中，微塑料板的重量还是太大了，靠光压是举不起来的。这里利用的是光泳的原理。

所谓光泳，就是先制造一个平面物体，这个物体被特意制造成上下表面吸收光的能力不同。这样，当光照射在物体上时，上下表面产生一个温度差，上下表面的空气因温度差而形成对流，物体就借空气对流产生的升力悬浮起来。因为光泳离不开空气的对流，所以你就明白了，实验中为什么不把真空室内的空气全部抽尽。

光泳现象其实早就被人发现了，而且早已有人利用这一现象来漂浮气溶胶的颗粒物，但把比颗粒物大得多的一块微塑料板悬浮起来，还是头一遭。

阿扎迪他们做这个实验不只是为了满足好奇心，他们是想研制一种可悬浮在地球大气中间层进行长期气象观测的传感器。

难以研究的中间层

中间层位于我们头顶上方50~85千米处。这里充满了有趣的大气现象，比如蓝色和红色的闪电，以及每天都有数以百万计的流星碎片在这里化为青烟。该层大气的化学成分对于追踪臭氧层的破坏也很重要，因为太阳耀斑发射的高能粒子进入中间层，产生一氧化氮，一氧化氮渗入下面的平流层，将会破坏那里的臭氧层。

但对于气象学来说，中间层迄今依然是一个研究盲区。它下面的平流层空气更稠密，可以为飞机和气球提供足够的升力;而它上面的暖层，空气足够稀薄，可以直接运行低轨道卫星;所以研究平流层和暖层都没什么问题。唯独中间层让气象学家很棘手，那里的空气太稀薄，无法为飞机和气球提供足够的升力，但空气阻力又足够让低轨道卫星坠毁。虽然我们也可以向那里发射火箭，但火箭一次只能逗留几分钟，这跟使用飞机或卫星进行长时间观测还是有很大的不同。

于是，阿扎迪想，我们能否将微小的传感器送入中间层，进行长期的天气观测?为了解决传感器悬浮的动力问题，他想到了光泳。

借光悬浮的小“魔毯”

为了实现这一点，阿扎迪选择了用麦拉板(一种聚酯薄膜板)做传感器的主体。这些用于实验的麦拉板便宜、轻巧、光滑，每块板直径只有1厘米，厚度只有500纳米，是家用保鲜膜厚度的1/50，所以更确切地说，它们是薄膜。它们是如此之薄，实际上是透明的。麦拉板的下表面被粘上一层密密的碳纳米管。每个纳米管直径只有几个原子大，长度与一根眼睫毛的长度相当。整个装置看起来就像一把微型的毛刷。

当太阳光照射这块薄板时，大部分光都透过了上表面而被下表面的碳纳米管所吸收，所以上表面温度低，下表面温度高。当周围的空气分子撞击上表面并被反弹回去时，对麦拉板有一个向下的反作用力;同样道理，空气分子撞击下表面，对麦拉板有一个向上的反作用力。但因为上表面的温度低，空气分子反弹的速度小;下表面的温度高，空气分子反弹的速度大，所以上表面的反作用力小，下表面的反作用力大;总的合力朝上，就能把麦拉板凌空托起。

小装置，大用途

在阿扎迪第一次观察到麦拉板可以在LED灯照射下悬浮之后，他立即赶到电脑前，将实验参数输入他的理论模型。他发现，他们观察到的麦拉板的盘旋行为与他们开发的理论模型的预测完全吻合。看来，他们的理论是可靠的!这意味着，他们可以用该理论模型来预测不同大小的微型飞行物在任何大气条件下的行为。例如，他们可以计算出，一块薄板如果携带一定的负荷在中间层悬浮，直径需要多少。

他们的模拟估计，在太阳光照射下，一个直径6厘米的麦拉板可以在中间层携带10毫克的负荷。10毫克听起来似乎不多，只有一滴水重的1/5。但是，现在的技术已经能够把芯片缩小到一粒尘埃大小，并在只有1立方毫米的空间内为其安装一个电源、一个无线电通信和数据收集传感器，而这一切加起来只有几毫克重。

理论上，这样一个小装置可以胜任在中间层长期观测天气的工作。不过，投入应用之前，还需要解决一个难题：如何保证这个小装置不被风吹颠倒过来，因为中间层的风速很大，平均超过160千米/小时。

最近，美国哈佛大学的科学家甚至设计了一个更大型号的光泳装置。这个装置直径10厘米，可携带300毫克的设备。

这些不需要额外动力就能长期漂浮在大气中的“魔毯”，除了有望用于监测中间层的气象外，科学家还希望能用于探测火星的大气层。另外，如果有一天人类为了给地球降温，把气溶胶注入平流层以反射太阳光，那么这些小设备还可以用于持续监测这一过程。