這個(gè)高科技有點(diǎn)“懸”

李登仟

近日，美國芝加哥大學(xué)的兩位大學(xué)本科生在物理核心學(xué)術(shù)期刊上發(fā)文宣稱，他們利用真空腔中兩塊金屬板的溫度差可將不同性質(zhì)的小顆粒懸浮起來。并且該熱懸浮對(duì)所懸浮的小物體無選擇性，從真正意義上實(shí)現(xiàn)了熱懸浮。

說到懸浮，我們也許聽說過最多的便是磁懸浮了，并且真正有意思的是，這個(gè)熱懸浮居然可以讓各式各樣的小顆粒懸浮起來，這種無挑剔性的選擇方式，是磁懸浮、聲懸浮和光懸浮等懸浮所不能比擬的，既然熱懸浮這么神奇，就讓我們來一探究竟，順便再認(rèn)識(shí)一下其他“懸浮”的高科技，

無挑剔性的懸浮方式——熱懸浮

一提起“熱”，我們最先想到的便是“溫度”之類的詞語了。的確，如果我們感覺很熱，這其實(shí)是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的一種宏觀表現(xiàn)。一般來說，分子的平均動(dòng)能越高，溫度就越高；反之，平均動(dòng)能越低，溫度就越低。

那為什么分子的平均動(dòng)能越高，溫度就越高呢？可以這樣理解：由于分子的平均動(dòng)能高，它們的運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)來說就比較快，大量分子撞擊器壁的力也就越大。生活中，蠟燭的火焰能夠把紙燒穿，就是因?yàn)闇囟雀叩幕鹧嬷写罅糠肿拥钠骄鶆?dòng)能很高，把紙給撞擊穿了。另外，當(dāng)你小心翼翼地把小紙條放在離蠟燭上端一定距離處時(shí)（要保證不要離得太遠(yuǎn)又不要被火焰燃燒起來），你會(huì)發(fā)現(xiàn)小紙條在隨機(jī)地輕微擺動(dòng)，這是為什么呢？因?yàn)榛鹧嬷械囊恍﹦?dòng)能大的分子隨著火焰往上“流動(dòng)”，大量運(yùn)動(dòng)的分子在無規(guī)則地撞擊小紙條。

而芝加哥的研究團(tuán)隊(duì)正是利用上述所說的大量分子熱運(yùn)動(dòng)的特性和溫度差來實(shí)現(xiàn)熱懸浮。他們?cè)谝粋€(gè)真空腔中平行放置兩塊金屬板，一塊金屬板（銅）保持室溫，一塊金屬板（不銹鋼）用液氮冷卻至-184℃左右，形成一定的溫度差。

既然兩塊金屬板之間是存在溫度差的，并且下面銅板的溫度遠(yuǎn)高于上面不銹鋼板的溫度，那么銅板中分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度就要強(qiáng)于不銹鋼板。這時(shí)，兩塊板之間產(chǎn)生的溫度差就會(huì)導(dǎo)致下面銅板中的熱流向上端不銹鋼板流動(dòng)，而這樣的熱流遇到物體時(shí)便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)熱泳力，一旦熱泳力的大小足以支撐板間的細(xì)小顆粒物重力，就可以實(shí)現(xiàn)熱懸浮。但必須注意的是，兩塊板間的距離和板表面積并不是任意的，這需要通過實(shí)驗(yàn)不斷地優(yōu)化，從而得到合適的溫度梯度。

技術(shù)超群的清潔專家

據(jù)研究人員介紹，他們所制作的熱懸浮裝置可以讓板間的懸浮顆粒懸浮1小時(shí)以上。不僅能夠操作豎直方向上的懸浮力度，還能精確地從橫向調(diào)控，從而保證懸浮顆粒的穩(wěn)定性能。

當(dāng)然，最讓人稱奇的是該熱懸浮方式對(duì)懸浮物的性質(zhì)并無苛刻的要求。我們知道，一些十分精密的電子元器件在裝配過程中（尤其是在航天領(lǐng)域），對(duì)其表面清潔程度要求很高，而這樣無接觸和無污染的懸浮方式，為精密電子零件的組裝提供了一條新的研究方向。盡管現(xiàn)在能夠懸浮起尋常的顆粒物，但是對(duì)于大尺寸物體的懸浮仍在探索中。

沒有對(duì)比就沒有傷害

認(rèn)識(shí)了熱懸浮之后，我們?cè)賮砜纯磁c其他懸浮技術(shù)相比，它有哪些優(yōu)缺點(diǎn)呢？

磁懸浮

磁懸浮，顧名思義就是利用具有磁性的物質(zhì)，來克服物體自身的重力，實(shí)現(xiàn)懸浮。但是磁懸浮存在許多問題，比如磁懸浮所懸浮的對(duì)象必須具有磁性，這樣才能保證懸浮。還有，磁懸浮的系統(tǒng)穩(wěn)定性不是很好，稍有外界的干擾，就會(huì)破壞掉平衡性。然而，令人欣慰之處在于，磁懸浮的懸浮時(shí)間還是比較長(zhǎng)的。

聲懸浮

相對(duì)于磁懸浮來說，聲懸浮就比較陌生了。聲懸浮實(shí)驗(yàn)需要用到一臺(tái)超聲波發(fā)生器，在發(fā)生器的上下兩端，聲波進(jìn)行不斷地反射，反射的過程就會(huì)形成一種所謂的駐波。我們把駐波振幅最小的地方稱為節(jié)點(diǎn)，如果把細(xì)小顆粒（也可以是液珠）放在節(jié)點(diǎn)處，就會(huì)發(fā)現(xiàn)細(xì)小顆粒是相對(duì)靜止的，這也是駐波與物體相互作用所產(chǎn)生的力抵消重力的結(jié)果。聲懸浮的不足之處在于只能在傳感器之間的某些區(qū)域（駐波節(jié)點(diǎn)處）才能實(shí)現(xiàn)懸浮。

光懸浮

光懸浮的一個(gè)比較出名的應(yīng)用實(shí)例就是石墨烯了。2015年6月，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給石墨烯一定頻率的光照時(shí)，石墨烯居然能動(dòng)起來。這是什么情況呢？原來，當(dāng)光打在石墨烯表面時(shí)，石墨烯吸收了光子后，釋放了電子出來，這種現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)。就像火箭升空一樣，火箭向上的升力來自于背部火焰的噴射，石墨烯就是因?yàn)槲展庾訃娚潆娮佣鴳腋∑饋?。毫無疑問，光懸浮也是有短板的，對(duì)于毫米量級(jí)的宏觀尺度物體而言，光懸浮就有點(diǎn)顯得無能無力了。

總的說來，熱懸浮相對(duì)于磁懸浮而言具有更好的穩(wěn)定性；相對(duì)于聲懸浮來說，熱懸浮可任意調(diào)整物體懸浮的位置，并且可以橫向隨意移動(dòng)；相對(duì)于光懸浮來說，熱懸浮可拓展到毫米量級(jí)的宏觀尺度，這對(duì)于在實(shí)際生活中應(yīng)用，有著積極的作用。目前，芝加哥團(tuán)隊(duì)的研究人員正在研究厘米量級(jí)甚至更大尺度物體的熱懸浮，如若可能，熱懸浮方式或?qū)⒏淖內(nèi)藗兾磥淼某鲂蟹绞健?/p>

（責(zé)任編輯：司明婧 責(zé)任校對(duì)：曹偉）endprint