Eine neue Art zu fliegen, aufgebaut aus der Nanoskala

Superdünne Nanokartons können nur mit der Kraft des Lichts schweben und öffnen die Tür für winzige Flugmaschinen ohne bewegliche Teile.

Der Doktorand Mohsen Azadi schneidet ein Stück Nanokarton mit einem Skalpell zu, um es für den Test vorzubereiten. Weil das Material so leicht ist und weniger als ein Tausendstel Gramm wiegt, kann ein einfaches Ausatmen zur falschen Zeit die Arbeitsstunden ruinieren.

Von Gwyneth K. Shaw

Nehmen Sie ein Blatt Papier und blasen Sie darauf. Was geschieht? Es kann sehr kurz aufsteigen, fällt aber schnell wieder ab, und die Luft, die Sie gerade ausstoßen, bläst herum und durch.

Stellen Sie sich nun ein ultraleichtes Material vor, das steif genug ist, um diesen Auftrieb aufrechtzuerhalten, aber leicht genug ist, damit es durch eine erstaunlich kleine Energiemenge - nur ein Lichtstrahl - steigen kann.

Igor Bargatin, der hier in seinem Labor gezeigt wird, wurde kürzlich von der National Science Foundation mit dem CAREER-Preis ausgezeichnet, um die Erforschung von nanoskaligen Materialien fortzusetzen, die in der Lage sind, mithilfe von Licht zu schweben.

Im Labor des Maschinenbauingenieurs Igor Bargatin ist diese Möglichkeit Realität. Nach Jahren der Arbeit und Verfeinerung haben er und sein Team ein sogenanntes Nanocardboard entwickelt, ein Material, das so dünn wie ein paar DNA-Stränge ist und weniger als ein Tausendstel Gramm wiegt, aber steif genug, um dem Herabfallen zu widerstehen.

„Was wir hier haben, ist eine Mischung aus festem und leerem Raum. Wir setzen das feste Material nur dort ein, wo es am wichtigsten ist, und nutzen den schwerelosen leeren Raum “, sagt Sam Nicaise, Postdoktorand in Bargatins Labor.

In den letzten Jahren haben Bargatin und Forscher in seinem Labor an diesen plattenmechanischen Metamaterialien gearbeitet: Strukturen, die super dünn sind, vielleicht nur einige zehn Nanometer, aber groß genug, um sie in den Händen zu halten. Der Durchbruch bei Nanokartonplatten wurde im vergangenen Jahr in Nature Communications veröffentlicht.

Als sie ihre Materialien verfeinerten, stellten sie fest, dass die Leichtigkeit des Materials die Tür für lichtgetriebene Bewegungen öffnete - zunächst nur kurzes Schweben, aber schließlich möglicherweise einen kontrollierten Flug. Bargatin hat gerade einen angesehenen CAREER Award von der National Science Foundation erhalten, um diese verlockende Möglichkeit zu verfolgen.

Bargatin wurde von einem einfachen Instrument inspiriert, das es seit mehr als einem Jahrhundert gibt, einem Gerät, das als Crookes-Radiometer bekannt ist. (Vielleicht hatten Sie als Kind einen in Ihrem Haus oder haben einen in einem Glasbläserladen gesehen.) Das Instrument, auch als Lichtmühle bekannt, ist im Wesentlichen eine Glaskolbe unter teilweisem Vakuum mit einseitig schwarzen und weiß leuchtenden Papierflügeln das andere.

Wenn das Radiometer Sonnenlicht ausgesetzt ist, absorbieren die schwarzen Seiten der Flügel einen Teil der Energie und erwärmen sich ein wenig.

"Was dann passiert, ist, dass die Luftmoleküle auf die schwarze Seite treffen, einen Teil der Wärme absorbieren und dann mit einer höheren Geschwindigkeit abreisen, als es hereinkam. In der Physik wissen wir, dass es bei jeder Änderung des Impulses oder der Geschwindigkeit einen Rückstoß und eine Reaktionskraft geben muss. Der Rückstoß drückt stärker auf die heißeren schwarzen Seiten als auf die kühleren weißen Seiten der Flügel und kann dazu führen, dass sich das Crookes-Radiometer ziemlich schnell dreht, wenn Sie es direktem Sonnenlicht aussetzen “, sagt Bargatin.

"Manchmal denken die Leute, dass das Crookes-Radiometer durch leichten Druck angetrieben wird", fügt er hinzu. „Der leichte Druck ist offensichtlich da, aber er ist viel kleiner und zeigt in die entgegengesetzte Richtung. Die Kraft, die wir beobachten und anwenden, ist ein thermischer Effekt, der auf der Wechselwirkung zwischen den Gasmolekülen und einem erhitzten Feststoff beruht. “

Obwohl es das Crookes-Radiometer seit mehr als einem Jahrhundert gibt, konnte noch niemand diese Kräfte einsetzen, um die Schwerkraft zu überwinden und die Flügel zum Schweben zu bringen. Hier kommen die neuen Nanokartonplatten ins Spiel. Weil sie so leicht sind, können thermische Kräfte, die zu gering sind, um Papier anzuheben, die Nanokartonstücke in die Luft heben.

"Es ist aufregend, weil es im Grunde genommen ein neuer Flugmechanismus ist", sagt Bargatin. "Wir sprechen von einer Struktur von einem halben Zoll Größe, die ohne bewegliche Teile herumfliegen kann. Diese Strukturen erzeugen einen Luftstrahl und eine entsprechende Auftriebskraft, nur basierend auf den Temperaturunterschieden, die in der Struktur existieren.

"Das Aufregendste ist, darüber nachzudenken, wie weit wir es in Bezug auf die Nutzlast bringen können, und darüber nachzudenken, was wir sonst noch tun könnten."

Die Möglichkeiten sind blendend. Die Verwendung von Licht, ob Sonnenlicht oder Laserstrahl, zur Stromversorgung eines Fluggeräts öffnet die Tür für eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten.

Seit etwa 20 Jahren beschäftigen sich Wissenschaftler mit dem Konzept des „intelligenten Staubes“: ultrakleine Partikel, die als Sensoren fungieren und Temperatur, Druck und mehr messen können.

Stellen Sie sich eine Such- und Rettungsoperation vor, bei der „Mikroflyer“ eingesetzt werden, die in winzige Löcher in den Trümmern eindringen und aus diesen herausschießen können, um eingeschlossene Personen zu finden, ohne die Ersthelfer zu gefährden. Oder ein winziger Roboter mit einer Kamera, der ein Strahltriebwerk auf Verschleiß und andere Probleme untersuchen kann, ohne es auseinanderzunehmen.

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Postdoktorand Sam Nicaise, Zentrum, arbeitet an neu hergestellten Nanokartonplatten. Bargatin und sein Team haben Jahre damit verbracht, dieses und andere ultraleichte Materialien unter Verwendung der hochmodernen Nanofabrikations- und Charakterisierungsausrüstung im Singh Center herzustellen.