【导语】地球中间层因位置特殊，成为大气“空白地带”。今年8月《自然》杂志研究带来探索新装置——一种仅靠阳光就能悬浮的轻质飞行结构。其原理源于光泳，研究团队通过纳米级技术实现厘米级装置在自然光下悬浮，未来在气候科学、通信甚至火星探测等领域潜力巨大。

我们都知道，地球的大气层被分为多个层次，比如常听到的对流层和平流层。而在离地面(miàn)50到(dào)100公(gōng)里(lǐ)之(zhī)间(jiān)，还(hái)有(yǒu)一(yī)层(céng)中(zhōng)间(jiān)层。它对飞机和气象气球来说太高，对卫星来说又太低。于是，这片区域成为了大气中最神秘的“空白地带”。


中间层，也常被称为“无知层”。探空火箭可以短暂进去中间层，并携带仪器进行原位测量，但这种观测通常只能持续几分钟。（图：Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）

今年8月，《自然》杂志刊登的一项研究带来了探索中间层的全新飞行装置：研究人员制造出了(le)一(yī)种(zhǒng)无(wú)需(xū)燃(rán)烧(shāo)、没(méi)有(yǒu)旋(xuán)翼(yì)、也(yě)不(bù)依(yī)赖(lài)推(tuī)进(jìn)系(xì)统(tǒng)的(de)轻(qīng)质(zhì)飞(fēi)行(xíng)结(jié)构(gòu)——它(tā)只(zhǐ)需(xū)要(yào)阳(yáng)光(guāng)就(jiù)能(néng)悬(xuán)浮(fú)起(qǐ)来(lái)。

要(yào)理(lǐ)解(jiě)这(zhè)项(xiàng)技(jì)术(shù)的(de)奇(qí)妙(miào)原(yuán)理，我们得把时间倒回150多年前。

1873年，英国化学家威廉·克鲁克斯（William Crookes）发明了一种精巧的小装置——光能辐射计（也成为克鲁克斯辐射计）。它由一个密封的玻璃灯泡和一组安装在灯泡内部转轴上的叶片组成。叶片(piàn)的(de)一(yī)面是黑色，另一面则是白色。黑面会吸收大部分照射在它上面的可见光，而白面则将光向各个方向反射。当辐射计受到强光照射时，叶片便会旋转，看起来就像是光在推着黑面转动一样。

起初，克鲁克斯认为这种旋转是由辐射压（光子撞击叶片时传递的动量）造成的。但如果真是如此，叶片本应向相反方向转动，因为反射光的白面获得的动量更大。

但事实上，这种旋转源于装置与周围气体之间的热传递。在辐射计内，气体分子在不断撞击叶片。由于黑面吸收更多光，温度更高，所以撞到它的气体分子反弹得更快、获得更多动量。于是，这个动量差会让气体在叶片周围形成一个从冷面流向热面的气流，这种流动产生的力推动了叶片旋转。

这种现象其实是光泳的一种表现。简单来说，光泳是指当光照射在稀薄气体中的物体上时，气体分子因温度差而产生流动，从而推动物体运动或悬浮。不过，光泳产生的升力太弱，远不足以让辐射计真正漂浮起来。

若要实现真正的升力，就需要更轻、更隔热的材料。过去的研究虽已能让物体在光照下悬浮，但要么只能在微观尺度上实现，要么需要强烈的人造光源。

这一次，研究团队通过纳米级制造技术，成功制造出了厘米级的飞行装置，能在接近自然阳光强度的光照下实现悬浮。

该装置由两片带孔的氧化铝薄片组成，中间以稀疏(shū)分(fēn)布(bù)的(de)垂(chuí)直(zhí)支(zhī)撑(chēng)相(xiāng)连(lián)，厚(hòu)度(dù)仅(jǐn)为(wèi)25纳(nà)米(mǐ)。这(zhè)样(yàng)的(de)设(shè)计(jì)既(jì)能(néng)最(zuì)大(dà)限(xiàn)度(dù)减(jiǎn)少(shǎo)上(shàng)下(xià)薄(báo)片(piàn)之(zhī)间(jiān)的(de)热(rè)传(chuán)导(dǎo)，又(yòu)能(néng)让(ràng)气(qì)流(liú)通(tōng)过(guò)孔(kǒng)洞(dòng)，形(xíng)成(chéng)足(zú)够(gòu)的升力。

为了增强吸光能力，研究人员在底部薄片镀上一层铬。这样，在阳光照射下，底部薄片升温更快。当气体分子撞击底部薄片时，会吸收部分热量并以更高动量反弹，而撞上较冷的顶部薄片时分子的反弹较弱。这种动量差形成了光泳升力，推动整个装置向上。

真实飞行结构在光照下飞行的延时摄影。（图：Ben Schafer, Jong-hyoung Kim & Gyeong-Seok Hwang）

实验中，研究人员在低压舱内模拟高空环境，并测量了装置的升力。结果显示：当气压为26.7帕、光照强度为太阳光的55%时，一个一厘米宽的结构成功实现了悬浮。这样的条件对应地球上空约60千米的高度——正是中间层的下部区域。

研究团队还初步设计了更大的版本：一个半径约3厘米、可携带10毫克载荷的装置，有望在距地面75千米的高空飞行。

未来，若要让这种飞行器不仅能悬浮在中间层，还能承担实际任务，这些超轻结构仍需进一步放大，并具备携带更重载荷的能力。当那一天到来时，这种装置将展现出巨大的应用潜力。

第一个应用方向是气候科学。如果在装置装上安装微型传感器，它就能长期悬浮在中间层，实时测量风速、气压、温度等关键数据。这些数据对校准气候模型至关重要，而气候模型正是天气预报和气候变化预测的基础。

此外，未来还可能在中间层部署一支高空悬浮天线阵列，其数据传输能力堪比低轨卫星（如 Starlink），但因距离地面更近，信号延迟更小。


设备的潜在应用场景示意图。（图：Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）

甚至有一天，这种装置还可能被用于火星探测。火星大气稀薄，非常适合光泳发挥作用。或许未来，这些仅靠阳光驱动的飞行器，真的能漂浮在火星的天空，向地球传回关于它的信息。

本文为·创作培育计划扶持作品

作者：吕同舟 科普作者
审核：孟杨 北京航空航天大学飞行学院 副教授
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司