Физики изучили влияние характеристик перфорированных наноструктур на фотофоретическую силу и создали пластины сантиметрового диаметра, способные взлетать в разреженном воздухе под воздействием света, вдвое тусклее солнечного. Также ученые представили предварительный дизайн аппарата, который мог бы удерживать в мезосфере грузы тяжестью 10 миллиграмм за счет солнечного света. Авторы статьи, опубликованного в Nature, предлагают использовать фотофоретические структуры для коммуникации, а так же для исследования атмосферных явлений Земли и Марса.
Мезосфера — область атмосферы между 50 и 85 километрами над уровнем моря, где происходят одни из самых красивых атмосферных явлений: во время сильных гроз в ней возникают спрайты, с прошлого столетия там стали замечать серебристые облака, в ней же вспыхивают метеоры. Несмотря на свою притягательность для исследователей, мезосфера — самая труднодоступная область атмосферы: единственные аппараты, способные летать в столь разреженном воздухе — это ракетные зонды, и то лишь несколько минут.
Продолжительные полеты в мезосфере — давно исследуемая область: с момента как Уильям Крукс предоставил миру свой радиометр, ученые стали активно изучать явление фотофореза — движения частиц в разреженном воздухе под действием света. Оно происходит, когда частица с разной силой нагревает воздух вокруг себя: из-за неравномерного нагрева светом самой частицы, либо из-за разной способности сторон частицы обмениваться теплом с воздухом.
Группа Мохсена Азади с коллегами еще в 2021 году использовала фотофорез для создания пластинок диаметром 6 миллиметров, способных левитировать в мезосферных плотностях при свете, в четыре раза мощнее солнечного, за счет разной скорости теплообмена сторон диска с воздухом. Через год уже другая группа ученых из США, Кореи и Бразилии под руководством Дэвида Кейта (David W. Keith) из университета Чикаго представила теоретическую модель перфорированного диска с грузоподъемностью 285 миллиграмм в стратосфере. Основной подъемной силой модели был эффект Кнудсена — движение воздуха через отверстия диска в направлении увеличения температуры. По мнению авторов, это наиболее эффективный механизм фотофореза для крупных объектов. В своей новой работе группа Кейта подробно изучила влияние параметров модели на подъемную силу и по результатам исследований создала сантиметровые пластины, которые взлетали при 55-процентной мощности солнечного света.
Пластины состояли из двух перфорированных нанометровых мембран, местами соединенных между собой цилиндрическими каналами. Чтобы подобрать оптимальные геометрические, оптические и тепловые свойства конструкции, авторы провели серию численных моделирований. Суммарно исследование показало, что пик грузоподъемности структур приходится на высоты между 60 и 80 километрами; чем меньше размер структуры, тем эффективнее фотофорез; перфорации увеличивают грузоподъемность больших структур на низких высотах и уменьшают ее для маленьких структур на больших высот.
Для валидации численных данных ученые создали образцы фотофоретических пластин площадью в один квадратный сантиметр, состоящие из двух областей. Первая область, выполняющая роль прочной рамки, содержала много цилиндрических соединений между перфорированными мембранами. Вторая — фотофоретического двигателя, включала в себя минимум циллиндрических соединений, чтобы снизить теплообмен между мембранами. Для создания разницы температур верхняя мембрана была сделана из 100 нанометрового алюминия, тогда как нижняя состояла из четырех сменяющих друг друга слоев хрома и алюминия и хорошо поглощала свет, работая как полость Фабри-Перо.
Измерения подъемной силы образцов в зависимости от типа молекул окружающего их газа и его давления показали, что численное моделирование неплохо предсказало экспериментальные данные. Также ученые измеряли фотофоретическую силу образцов в зависимости от силы освещения и обнаружили, что пластины взлетали в воздух уже при 55 процентах мощности солнечного света.
Наконец, на основании данных моделирования, авторы работы предложили концепт аппарата с перфорированной пластиной радиусом 3 сантиметра, способной удерживать на высоте 75 километров полезную нагрузку величиной в 10 миллиграмм. Такой аппарат мог бы летать круглые сутки летом в высоких широтах, в более низких широтах ему бы потребовалась лазерная подсветка с Земли для полета в ночное время. Физики предлагают использовать 10 миллиграмм полезной нагрузки устройства для передачи данных со скоростью 45 мегабит в секунду, при этом объединение устройств в сеть из сотен передатчиков повысит скорость до 10 гигабайт в секунду. Также авторы предлагают использовать полезную нагрузку для измерения температуры, давления и влажности в мезосфере с помощью наноразмерных датчиков. Ученые также обращают внимание, что предложенное ими устройство сможет летать в мезосфере Марса на высотах от 40 до 70 километрах.
Работа группы Кейта — не первое использование силы Кнудсена для передвижения макроскопических объектов: ранее мы писали, как ученые из Китая притянули кусочек пористого графена на стеклянной подложке с микроньютоновой силой.
По информации https://nplus1.ru/news/2025/08/26/fotonny-podjomnik
