Фізики вивчили вплив характеристик перфорованих наноструктур на фотофоретичну силу і створили пластини сантиметрового діаметра, здатні злітати в розрідженому повітрі під впливом світла, вдвічі тьмянішим за сонячне. Також вчені презентували попередній дизайн апарату, який міг би утримувати в мезосфері вантажі вагою 10 міліграм за рахунок сонячного світла. Автори статті, опублікованого в Nature, пропонують використовувати фотофоретичні структури для комунікації, а також для дослідження атмосферних явищ Землі та Марса.
Мезосфера - область атмосфери між 50 і 85 кілометрами над рівнем моря, де відбуваються одні з найкрасивіших атмосферних явищ: під час сильних гроз у ній виникають спрайти, з минулого століття там стали помічати сріблясті хмари, в ній спалахують метеори. Незважаючи на свою привабливість для дослідників, мезосфера - найважче доступна область атмосфери: єдині апарати, здатні літати в такому розрідженому повітрі - це ракетні зонди, і то лише кілька хвилин.
Тривалі польоти в мезосфері — область, що давно досліджується: з моменту як Вільям Крукс надав світові свій радіометр, вчені почали активно вивчати явище фотофорезу — руху частинок у розрідженому повітрі під дією світла. Воно відбувається, коли частка з різною силою нагріває повітря навколо себе: через нерівномірне нагрівання світлом самої частинки, або через різну здатність сторін частинки обмінюватися теплом з повітрям.
Група Мохсена Азаді з колегами ще в 2021 році використовувала фотофорез для створення пластинок діаметром 6 міліметрів, здатних левітувати в мезосферних щільностях при світлі, вчетверо потужніший за сонячний, за рахунок різної швидкості теплообміну сторін диска з повітрям. Через рік вже інша група вчених із США, Кореї та Бразилії під керівництвом Девіда Кейта (David W. Keith) з Чикагського університету представила теоретичну модель перфорованого диска з вантажопідйомністю 285 міліграм у стратосфері. Основною підйомною силою моделі був ефект Кнудсена - рух повітря через отвори диска у напрямку підвищення температури. На думку авторів, це найефективніший механізм фотофорезу для великих об'єктів. У своїй новій роботі група Кейта докладно вивчила вплив параметрів моделі на підйомну силу та за результатами досліджень створила сантиметрові пластини, які злітали за 55-відсоткової потужності сонячного світла.
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.
