阳光，作为电磁波谱中最易被感知的能量载体，一直是地球生态与人类技术进步的核心驱动力。从植物的光合作用，到促进人体钙质吸收，再到太阳能发电，我们对阳光的开发利用从未停歇……
如今，科学家们发现，光的辐射压力与物质的微观结构特性结合，竟能产生稳定的“光致浮力”。这不仅是能量的转化，更是力的直接调控——当这种力足以抗衡重力时，飞行器就能借阳光之力悬浮于空。
光照的魔力
光致浮力的原理其实并不复杂。当阳光照射到物体表面时，光能被吸收并转化为热能。物体表面的温度差异与气体分子间的微小相互作用，产生了一种推动力。这股看不见的力量足以让超轻的微型物体在大气中轻轻漂浮，就仿佛阳光托起了它们。
光致浮力原理图
例如，一片超薄的纳米膜，在阳光的照射下，缓缓升空，像纸飞机一样在天空中自由飞翔。这种现象的背后，正是光的辐射压力通过物体微观结构的调控作用，推动物体向上升空。
一项出乎意料的设计
这一物理现象最早可以追溯到150多年前……在1873年，化学家威廉·克鲁克斯进行化学实验时，尝试在真空条件下精确称量样品。他注意到当光线照射到天平时，称量结果会受到影响，从而引发了他对光与物质相互作用的兴趣，并最终发明了光能辐射计（也称为克鲁克斯辐射计或光能计）。
化学家威廉·克鲁克斯
辐射计由一对黑白叶片组成，当暴露在阳光下时，叶片会因吸收光线而升温，从而产生旋转。这是因为温度较高的黑色面会比白色面吸收更多的光能，并传递给气体分子，使空气流动并产生足够的推力推动叶片旋转。今天，科学家们将这一原理与现代纳米技术相结合，设计出微小的飞行器，能够在阳光下悬浮。
克鲁克斯辐射计
哈佛大学的本·谢弗及其团队将这一光泳现象与现代纳米技术结合，创造出了能够在阳光照射下悬浮的微型飞行器。这款飞行器的核心是由两片微孔氧化铝薄片构成，底层薄片吸收阳光并迅速升温，形成定向气流，而这一气流的方向是向上流动的。这种设计利用了类似辐射计叶片的效应，增强了升力效果。
在实验中，飞行器在白色LED灯和激光的照射下成功悬浮，而所需的光强度比自然光强度的50%还要低。相比于其他太阳能飞行器，这种设计大大降低了对光强度的要求，并能够在实验室的低气压条件下正常工作。实验中，气压远低于地球表面的数千倍，但飞行器依然能够在这种环境下悬浮。
实际设备的大气悬浮。向上的推力是由热蒸腾气流通过设备膜上的微尺度穿孔产生的。回流发生在远离设备的地方。
用光的力量实现飞行
传统的高空探测通常依赖于气象气球和卫星，但它们有个共同的挑战——要么飞行时间有限，要么造价高昂。光致浮力装置则像微型无人飞行器，可以在平流层和中间层（20-100公里的高度）长时间悬浮，采集温度、湿度、压力和风速等数据。
来源：视觉中国
不需要引擎、不需要燃料，仅靠阳光的浮力，就能在上空停留数天。这样不仅能更精确地研究气候变化，还能够追踪气流模式，为天气预测提供重要线索。
突破“无知层”
光致浮力飞行器的真正潜力在于其能进入地球大气层的“无知层”——位于地面之上的50至100公里的极薄大气层。由于这一层大气的稀薄，传统的气象气球和卫星无法有效进入这一区域采集数据，而光致浮力飞行器则能够突破这一难题。
这些微型飞行器可以搭载气象传感器，进行温度、湿度、压力等数据的采集，帮助我们填补这一层次大气的空白。光致浮力飞行器不需要燃料，完全依靠阳光提供的浮力，能够长时间停留在高空，从而进行长时间的环境监测。
光泳悬浮设备的应用包括收集气候数据、建立下一代通信和在卫星之间传递数据
太阳能驱动的未来飞行
这种基于光泳现象的飞行器不仅能在地球的上层大气中工作，也为其他星球的气候探测提供了新思路。例如，光致浮力飞行器可以在火星的大气中发挥作用，帮助科学家收集有关火星气候的数据。
此外，与传统的气象气球和卫星相比，光致浮力飞行器具有明显的优势——无需任何燃料，且可以在不受天气条件限制的情况下，进行高效的长期数据采集。这种飞行器的能源来源仅仅是阳光，这使得它成为一种环保且高效的高空监测工具。
结语
光致浮力飞行器的出现不仅帮助我们了解地球大气的变化，还可能为未来的星际探索提供全新的解决方案。借助这一技术，我们可以利用阳光和物理学原理，无燃料、无污染地进行飞行，开启高空探测的新纪元。
参考文献
Schafer, B.C., Kim, Jh., Sharipov, F. et al. Photophoretic flight of perforated structures in near-space conditions. Nature 644, 362–369 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09281-8
Jeremy Hsu (2025), Tiny discs can levitate in the upper atmosphere using sunlight alone., 具体参见：https://www.newscientist.com/article/2492170-tiny-discs-can-levitate-in-the-upper-atmosphere-using-sunlight-alone/?utm_term=Autofeed&utm_campaign=echobox&utm_medium=social&utm_source=Linkedin=1755106607
电子科技博物馆(2016)，光悬浮技术，具体参见：https://www.museum.uestc.edu.cn/info/1184/2308.htm.
来源：石头科普工作室
编辑：Zoey
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