Physicists studied the effect of perforated nanostructures on photophoretic force and created centimeter-diameter plates capable of levitating in thin air under the influence of light twice as dim as sunlight. The scientists also presented a preliminary design for a device capable of holding 10-milligram payloads in the mesosphere using sunlight. The authors of the article, published in Nature, propose using photophoretic structures for communication and for studying atmospheric phenomena on Earth and Mars.
The mesosphere is the region of the atmosphere between 50 and 85 kilometers above sea level, home to some of the most spectacular atmospheric phenomena: sprites form during severe thunderstorms, noctilucent clouds have been observed there since the last century, and meteors also flash within it. Despite its allure for researchers, the mesosphere is the most difficult region of the atmosphere to access: the only vehicles capable of flying in such thin air are rocket probes, and then only for a few minutes.
Long-duration flights in the mesosphere have long been a research area: ever since William Crookes introduced his radiometer to the world, scientists have been actively studying photophoresis—the movement of particles in thin air under the influence of light. It occurs when a particle heats the air around it with varying intensity: either due to uneven heating of the particle itself by light, or due to the different capacities of the particle's sides to exchange heat with the air.
Back in 2021, Mohsen Azadi's group and colleagues used photophoresis to create 6-millimeter-diameter plates capable of levitating at mesospheric densities in light four times more powerful than sunlight, thanks to the different rates of heat exchange between the disk's sides and the air. A year later, another group of scientists from the US, Korea, and Brazil, led by David W. Keith of the University of Chicago, presented a theoretical model of a perforated disk with a lifting capacity of 285 milligrams in the stratosphere. The model's primary lift was the Knudsen effect—the movement of air through the disk's holes in the direction of increasing temperature. According to the authors, this is the most effective photophoretic mechanism for large objects. In their new study, Keith's group studied in detail the influence of the model's parameters on lift and, based on their results, created centimeter-sized plates that levitated at 55% of the solar radiation's intensity.
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.
