在宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)一座工程建筑的地下室里，莫森·阿扎迪(Mohsen Azadi)和他的实验室伙伴们围着一组令人眩目的led灯，这些led灯就放在丙烯酸真空室下面。他们盯着灯光，他们的相机，他们希望坐在围栏里的两个小塑料盘子很快会有所行动。“我们不知道我们会看到什么，”机械工程博士生阿扎迪说。“但我们希望看到”
让我们这么说吧:他们想看看这些盘子是否会漂浮起来，仅仅依靠光的力量。光诱导流或光透法本身并不是一项突破。研究人员利用这一物理现象使看不见的气溶胶漂浮起来，并对微流体装置中的粒子进行分类。但他们以前从未移动过一个大到可以抓住的物体，更不用说举起任何能够携带物体的物体了。
它工作。“当两个样本被提取出来时，”阿扎迪说，“我们四个人都倒吸了一口气。”根据今天发表在《纽约时报》上的一篇论文，每一个直径只有铅笔那么大的聚酯薄膜板能够悬浮，仅仅是因为下面的光产生的能量。来自led的能量加热聚酯薄膜的特殊涂层的下腹部，激发塑料下的空气颗粒，以微小但强大的气流推动薄膜板。
这种工程结构是第一个稳定的光穿透飞行的实例，Azadi的理论模型可以模拟不同的飞行板在大气中的行为。特别的是，该模型表明，一个悬浮板可以在50英里的上空移动，同时携带传感器大小的货物。这是实验室成员提出的一种研究天气和气候的方法，尽管大气科学家说这个想法还只是初步的，将面临一些令人生畏的气象挑战。
Mohsen Azadi提供
科学家们想要在尚未开发的中间层安装一个微型传感器是有原因的，中间层位于你头上31到53英里的地方。“有时它被戏称为‘无知圈’，”宾夕法尼亚大学机械工程教授、主持这项研究的阿扎迪的顾问伊戈尔·巴加廷(Igor Bargatin)说。“我们只是没有办法得到它。你可以一次发射一枚火箭几分钟，但这与用飞机或气球进行测量是非常不同的。”
我们没有忽视中间层，因为它很无趣;我们忽略了它，因为它遥不可及。其下方密度较大的空气为飞机和气球提供了足够的升力。而上面的热层足够薄，空气阻力不会烧毁轨道卫星。中间层在这两种情况下都是最糟糕的——它太薄，无法升力，但又足够厚，足以烧毁轨道飞行器。
这对科学家来说是一个阻碍，因为中间层充满了有趣的现象，比如奇怪的蓝色和红色闪电，以及数百万颗流星的微观碎片，每天都在穿过中间层。根据国家大气研究中心的大气科学家丹尼尔·马什的说法，这一层的化学物质对于那些对追踪臭氧破坏感兴趣的科学家来说也很有价值。“太阳风暴导致高能粒子进入中间层，产生一氧化氮，”马什在给《连线》的一封电子邮件中写道。一氧化氮渗透到大气中，侵蚀了对地球有保护作用的平流层臭氧。
Bargatin说，将科学探测器直接送入该区域需要设计一种全新的飞行方式。利用光是合理的，因为它的固有能量。科学家们已经测试了在太阳帆中捕捉光粒子动量，以10%光速进入深空的想法，但这个想法在中间层的引力下破灭了。在过去的一个世纪里，物理学家已经越来越习惯用光来以其他方式移动物质。例如，激光可以轻推蛋白质和小珠，对细胞进行分类，像镊子一样拔取分子。“到目前为止，几乎所有的研究都集中在微观粒子上，”Bargatin说。他的实验室去年发表了一篇论文，报告了一种空心铝基板，可以悬浮在气垫上。但是这项新研究带来了更高的希望——设计一个稳定的飞行系统，研究人员可以简单地将这些设备放到中间层中。
Mohsen Azadi提供阿扎迪从基础开始，画出了悬浮装置的设计图，并绘制出了哪些物理力量可以让光线推动物体表面。他做了一些思维实验，就像想象把球扔向墙壁一样简单。“我们能对墙壁表面做些什么，这样当我们把一个球扔向墙壁时，它会反弹得更快?””阿扎迪说。
“我只需要一张纸和一支笔，试着勾勒出不同的东西，”他继续说，“然后把这些非常简单的思维实验变成数学的、严格的公式。”
该团队最终得出了一个设计: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，这是一种用于保暖毯的闪亮塑料。聚酯薄膜便宜、轻便、光滑，而且有些型号的薄膜薄得不可思议——在这种情况下只有500纳米厚。它比家用保鲜膜薄50倍，非常薄，实际上是透明的。对于底部，Bargatin的团队在聚酯薄膜表面涂上了一层由细小棒状碳线组成的粗毛地毯，这层地毯被称为碳纳米管。每个纳米管只有几个原子大小，大约和一根头发一样宽。
当空气中的环境气体分子与一个温暖的物体碰撞后，它会吸收少量的能量，并以比到达时更快的速度反弹。(热力学表明，温度越高的粒子速度越快。)但并不是每个表面都能同等地将能量转化为气体。有些材料，比如光滑的聚酯薄膜，只需稍加推动，气体分子就会消失。其他的表面，比如一团缠绕在一起的碳纳米管，可以捕获和加热气体分子，以至于气体分子发射得更快。
当这个墨黑的碳地毯吸收光线时，它那杂乱的纳米管就变暖了。进入碎片的气体分子与许多角落碰撞，它们的热量比从光滑表面反弹回来的分子高。这种分子从底部表面喷射的速度比从顶部喷射的速度快，创造了一个升力，Bargatin说。Bargatin说:“你扔下足够多的分子，就会形成一个喷射机。”“直升机就是这么做的。”
2019年底的那一天，阿扎迪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，阿扎迪让迷你魔毯在中气层压力下漂浮在表面几毫米以上。有一次，两个聚酯薄膜盘子像跳舞一样绕着对方转。阿扎迪说:“我们决定给这一举措命名，因为它非常有效。”“看起来他们两个在跳一种非常和谐的舞蹈。就像，我们就叫它‘探戈’吧。”
通过在一个中央LED周围放置一圈更强烈的LED，在真空室下面，他们也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——如果板开始倾斜和缩放，光边界迫使它回到中心。在没有平衡力的情况下漂浮，就像用勺子底部平衡豌豆一样。
“当他们说他们有一个厘米大小的物体，他们可以利用光的穿透力使其悬浮时，我非常怀疑，”特拉维夫大学的物理学家雅艾尔·罗希曼(Yael Roichman)说，他没有参与这项研究。Roichman研究光学诱捕，并利用激光使尘埃悬浮。传统的光导入实验依靠温度梯度——热脸和冷脸——来推动物体。这就限制了物体只能从有能量的地方移动，使太阳能悬浮的希望破灭。但她说，Bargatin的想法不同。无论光线来自于悬浮装置的哪个位置，它都会到达朝下的纳米管并提供升力。“它们所做的并不取决于温度梯度，因为温度梯度会给你非常小的力，而是取决于一些完全不同的东西，”她说。“我认为这实际上是非常有用和创新的。这看起来很简单，但实际上并不简单。”
Mohsen Azadi提供 由Mohsen-Azadi在阿扎迪第一次捕捉到悬浮现象后，他立即跑到电脑前，将实验的精确物理参数输入到他的理论模型中。他们观察到的盘旋行为与他们提出的理论相吻合。“它工作的压力范围，力最大化的光强范围——它们都与我所看到的一致，”阿扎迪说。“这是一个非常激动人心的时刻，看到这个理论是可行的，它与实验非常吻合。”这种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型飞行器在任何大气条件下的行为。例如，他们可以计算出在特定高度上能够携带最重有效载荷而又不会太宽而无法漂浮的平板的直径。
他们的模拟估计，在自然阳光下，一个6厘米的盘子可以在中间层运载10毫克的货物。10毫克听起来可能不多;一滴水的重量是它的五倍。但随着工程技术的进步，硅芯片已经缩小成灰尘大小的传感器，其尺寸要比这小得多。这些“智能尘埃”系统可以在只有一毫米宽的立方体中安装电源、无线电通信和数据收集传感器。“当你给他们一立方毫米的硅时，研究人员可以做很多事情，”Bargatin说。“一立方毫米硅的重量只有几毫克。”
在他们的真空室测试中，他们发现当光强度超过阳光的能量时，额外的能量会使飞行片更高。但大约30秒后，圆盘开始因透光力而弯曲，最终坍缩。超薄的聚酯薄膜本身就很脆弱，Bargatin说。碳纳米管的杂乱使聚酯薄膜圆盘更加坚硬，但高速分子碰撞的力量最终会使圆盘弯曲。该团队的模型可以预测圆盘的大小、气压和光线强度，Bargatin说，开发一种轻量级框架的工作正在进行中。
Bargatin设想，有一天研究人员会在中间层释放装载传感器的悬浮装置，让它们像气象气球或漂浮的海洋传感器一样四处漫游。他说:“另一种方法是开发出能够控制飞行方向的智能飞机。”使悬浮装置稳定的倾斜同样可以用来操纵它们。而且，他补充说，将传感器悬挂在悬浮装置上，就像悬挂在天篷上的降落伞一样，有助于系统在遇到风时保持直立。
尽管如此，马什仍然不相信这样的装置能够承受中间层条件。他写道:“任何仪器都必须在中间层的极端条件下运行，那里的平均风速可以轻易超过每小时100英里。”中间层上部的风可能特别剧烈，温度可能降至零下140度，空间天气通过中间层辐射，可能破坏通信系统。
美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心地球科学的首席科学家保罗·纽曼也认为，对中间层风的解释将是一个巨大的技术挑战，但他不禁对可能的应用感到高兴。“我真的认为这是一个非常酷的想法，”他说。一种可能是探测中间层的水蒸气，在那里极地云形成的高度如此之高，以至于晚上太阳仍然会照亮它们。神秘的云不仅仅是美丽，纽曼说;它们可能与温室气体的增加有关，这意味着它们可能会变得更加常见，但研究人员无法像他们所希望的那样跟踪中间层的水分含量和温度。中层云是“气候变化的另一个迹象”。我们需要信息来证明这一点，”纽曼说。“这就是为什么这些在获取大气成分数据方面可能非常酷。”
Newman补充说，这些板块的微小和悬浮能力也可能对火星研究很有吸引力。火星大气的气压与地球的中间层类似，所以也许轻便的自主悬浮装置可以收集温度或成分的测量数据。“你可以每天起飞一次，然后上去，然后回来，在你的小火星着陆器上降落，”他想象。“我们没有关于火星的信息。那就太棒了。(美国国家航空航天局(NASA)正计划测试一架名为“独创性”的小型直升机，作为即将着陆的“毅力”号漫游者任务的一部分，但这架飞机要大得多，仍处于测试飞行阶段;它还没有准备好执行科学任务。)
Bargatin说，他们目前正在探索火星的应用，该团队也希望他们的微型飞行器能在地球的海平面上工作。但不管最终用途如何，阿扎迪都会记得第一次看到麦拉薄膜的情景，这完全符合他的理论预测。“在那之后，”他说，“我打电话给我女朋友说，‘我想我很快就要毕业了。’”
