在宾夕法尼亚大学工程大厦的地下室里，Mohsen Azadi和他的同事们蜷缩在一组安装在丙烯酸真空室下面的致盲LED周围。他们盯着灯、摄像机，以及他们希望很快能从围墙内的两个小塑料板上看到的动作。“我们不知道我们期待看到什么，”机械工程博士候选人阿扎迪说。“但我们希望看到一些东西。”
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。光诱导流动，或光泳，不是'；这本身并不是一个突破。研究人员利用这种物理现象使看不见的气溶胶漂浮起来，并在微流控设备中对粒子进行分类。但他们以前从未移动过足够大的物体，更不用说移动任何可以携带物体的物体了。
它成功了。阿扎迪说：“当两个样本被取出时，我们四个人都喘了口气。”根据今天发表在《科学进步》上的一篇论文，每一块直径只有一支铅笔那么宽的聚酯薄膜板，只能依靠下面光线的能量才能在空中盘旋。来自LED的能量加热了聚酯薄膜特殊涂层的腹部，激发了塑料下面的空气颗粒，并以微小但强大的阵风推动金属板离开。
这种工程结构是稳定的光泳飞行的第一个实例，Azadi附带的理论模型可以模拟不同的飞行板在大气中的行为。特别是，该模型表明，悬浮板在承载传感器大小的货物时，可以在头顶移动50英里。这是实验室成员提出的一种研究天气和气候的方法，尽管大气科学家表示，这一想法仍处于初步阶段，将面临一些严峻的气象挑战。
科学家们想把一个微型传感器送入探索不足的中间层是有原因的，中间层位于你头顶上方31到53英里之间。“有时它被称为ignorosphere，开玩笑的，”宾夕法尼亚大学机械工程教授、领导这项研究的阿扎迪的顾问伊戈尔·巴加廷说。“我们只是无法访问它。你可以一次发射几分钟火箭，但这与使用飞机或气球进行测量有很大不同。”
我们没有忽略中层，因为它是无趣的；我们忽略了它，因为它够不着。下面密度更大的空气为飞机和气球提供了足够的升力。上面的热层足够薄，空气阻力不会烧坏轨道卫星。中间层是两个世界中最糟糕的一个——它太薄，无法升空，但却厚得足以烧毁一个轨道飞行器。
这对科学家来说是一个阻力，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小弹片，这些流星每天都从中间层射出灼热的恒星。国家大气研究中心的大气科学家丹尼尔·马什表示，该层的化学成分对有兴趣追踪臭氧破坏的科学家也很有价值。马什在给《连线》的电子邮件中写道：“太阳风暴导致高能粒子进入中层，产生一氧化氮。”。氮氧化物渗入大气层，侵蚀地球保护性的平流层臭氧。
巴加廷说，将科学触角直接送入该区域需要设计一种全新的飞行方式。利用光的内在能量是有意义的。科学家们已经测试了捕捉轻粒子的想法#39；太阳帆以10%的光速进入深空的动量，但这种想法在中间层崩溃了#39；这是地心引力。在过去的一个世纪里，物理学家们越来越习惯于用光以其他方式移动物质。例如，激光可以推动蛋白质和珠子，对细胞进行分类，并像镊子一样提取分子。“到目前为止，几乎所有的研究都集中在微观粒子上，”巴加廷说。他的实验室去年在《先进材料》杂志上发表了一篇论文，报道了一种可以悬停在气垫上的空心铝板。但这项新研究带来了更高的希望，设计出一个稳定的飞行系统，研究人员可以简单地让这些装置在中层释放。
阿扎迪从基础开始，绘制了悬浮器的设计图，并绘制了哪些物理力可能会导致光推动表面。他做了一些简单的思维实验，比如想象把球扔到墙上。“我们能对墙的表面做些什么，所以当我们把一个球体扔到墙上，它会反弹回来，反弹得更快？”阿扎迪说。
“我只要一张纸和一支笔，试着画出不同的东西，”他接着说，“然后把那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平面圆盘。对于顶部，他们选择了聚酯薄膜，一种用于保温毯的闪亮塑料。聚酯薄膜价格便宜，重量轻，表面光滑，有些型号的薄膜厚度惊人，在这种情况下只有500纳米厚。它比家用保鲜膜薄50倍，而且非常薄，实际上是透明的。对于底部，巴加廷的团队在聚酯薄膜表面涂上了一层由称为碳纳米管的微小棒状碳线组成的粗地毯。每根纳米管的直径只有几个原子，长度大约相当于一根头发的宽度。
空气中的一个环境气体分子与一个温暖的物体碰撞后，它吸收了少量能量，反弹速度比到达时快。（热力学表明，更热的粒子是更快的粒子。）但并不是每一个表面都能将能量平均地转移到气体中。有些，比如一片光滑的聚酯薄膜，只需一点点推动就可以将气体分子弹起。其他表面，比如一团杂乱无章的碳纳米管，可以捕获并加热气体分子，使其燃烧更快。
当这种黑色的碳地毯吸收光线时，它杂乱无章的纳米管就会升温。气体分子滑入绒毛，然后与许多角落发生碰撞，因此它们比从光滑的上表面反弹的分子加热得更多。Bargatin说，这种分子从底部表面向下喷射的速度比从顶部向上喷射的速度快，产生了一种升力。“你把足够多的分子扔下去，你就会产生一个喷射器，”巴加廷说。“直升机就是这么做的。”
2019年末的那一天，当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时，阿扎迪让迷你魔毯以类似于中间层的压力漂浮在表面几毫米以上。在一个例子中，两块聚酯薄膜板彼此环绕，仿佛在跳舞。阿扎迪说：“我们决定为这一举措命名，因为它的效果非常好。”。“看起来他们俩跳的是同一种非常和谐的舞蹈。就像，我们叫它‘探戈’。”
通过在一个中央LED周围放置一圈在真空室下方的强度更高的LED，它们也能够展示稳定的悬浮。这种设置将悬浮板限制在一个光学陷阱中。如果悬浮板开始倾斜和变焦，光边界会迫使其回到中心。在没有这种平衡力的情况下悬浮就像在勺子下面平衡豌豆一样。
“当他们说他们有一个厘米大小的物体可以利用光动力悬浮时，我非常怀疑，”特拉维夫大学的物理学家亚尔·罗奇曼说，他没有参与这项研究。罗奇曼研究光学捕获，并使用激光使尘埃粒子悬浮。传统的光泳实验依赖于温度梯度——热表面和冷表面——来推动物体。这就限制了一个物体只能远离一个能源，从而扼杀了太阳能悬浮的希望。但她说，巴加廷的想法是不同的。无论光从哪里发出，相对于悬浮器，它都会到达朝下的纳米管并提供升力。“他们所做的并不取决于温度梯度，温度梯度给了你很小的力，而是取决于完全不同的东西，”她说。“我认为这实际上可能非常有用和创新。它看起来很简单，但并不简单。”
在阿扎迪第一次捕捉到悬浮后，他立即冲向电脑，将实验的精确物理参数输入他的理论模型。他们观察到的悬停行为与他们提出的理论相符"它工作的压力范围，光照强度的范围，力最大化，它们都符合我所看到的，"；阿扎迪说"这是一个非常激动人心的时刻，看到这个理论是有效的，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混合器在任何大气条件下的行为。例如，他们可以计算一块板的直径，该板可以在特定高度承载最重的有效载荷，而不会太宽而无法漂浮。
他们的模拟估计，在自然阳光下，一个6厘米的平板可以在中层携带10毫克的货物。10毫克听起来可能不多；一滴水的重量是原来的五倍。但工程技术的进步已经将硅芯片缩小成了比这小得多的灰尘大小的传感器。这些“智能灰尘”系统可以在直径仅一毫米的立方体中安装电源、无线电通信和数据收集传感器。“研究人员可以做很多事情，当你给他们一立方毫米的硅，”巴加廷说。“一立方毫米的硅重几毫克。”
在他们的真空室测试中，他们发现当把光强度提高到超过太阳光的功率时，额外的能量会使飞片飞得更高。但大约30秒后，圆盘开始因光泳力而卷曲，最终崩塌。巴加廷说，超薄聚酯薄膜本身非常脆弱。碳纳米管的堆积使聚脂薄膜圆盘更加坚硬，但高速分子碰撞的力最终会使飞片弯曲。该团队的模型可以预测磁盘大小、空气压力和光照强度是造成这种情况的原因，巴加廷说，开发轻质框架的工作正在进行中。
巴加廷设想，研究人员有朝一日会在中层释放携带传感器的悬浮器，让它们像气象气球或漂浮的海洋传感器一样漫游。“另一种方法是开发智能传单，可以控制他们要去哪里，”他说。稳定悬浮器的倾斜可以用来控制它们。他补充说，将传感器悬挂在悬浮器上，就像将降落伞悬挂在伞蓬上一样，有助于在面对风时保持系统直立。
不过，马什并不认为这样的装置能够承受中间层条件。“任何仪器都必须在中层的极端条件下运行，平均风速很容易超过每小时100英里，”他写道。中上层的风可能会产生特别大的切变，温度可能会降至零下140度，空间天气会通过中上层辐射，并可能破坏通信系统。
美国国家航空航天局戈达德航天飞行中心地球科学首席科学家保罗·纽曼（Paul Newman）同意，计算中层风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。一种可能性是探测中间层的水蒸气，那里的极地云层形成得非常高，以至于太阳在夜间仍能照亮它们。纽曼说，神秘的云朵不仅美丽；它们可能与温室气体增加有关，这意味着它们可能变得更加常见，但研究人员无法像他们希望的那样跟踪中层的含水量和温度。纽曼说，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。”。“这就是为什么这些对于获取大气成分数据来说非常酷的原因。”
纽曼补充说，这些板块的微小和悬浮能力对火星研究也很有吸引力。火星大气的气压与地球的中间层相似，因此，光、自动悬浮器或许可以收集温度或成分测量值。“你可以每天起飞一次，然后上下降落在你的火星着陆器上，”他想象道。“我们没有关于火星的信息。那太棒了。”（美国国家航空航天局（NASA）正计划测试一种名为Ingenuity的小型直升机，作为其即将进行的路虎任务的一部分，但该飞行器将更大，仍处于试飞阶段；它还没有为科学任务做好准备。）
巴加廷说，他们目前正在探索火星的应用，该团队还希望让他们的微分析仪在地球海平面上工作。但不管最终的用途是什么，阿扎迪都会永远记得第一次看到聚酯薄膜浮出水面的情景，这完全符合他的理论预测。“那之后，”他说，“我给女朋友打了电话，说，‘我想我马上就要毕业了。’”
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