這個高科技有點“懸”

李登仟

近日，美國芝加哥大學的兩位大學本科生在物理核心學術期刊上發文宣稱，他們利用真空腔中兩塊金屬板的溫度差可將不同性質的小顆粒懸浮起來。并且該熱懸浮對所懸浮的小物體無選擇性，從真正意義上實現了熱懸浮。

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，順便再認識一下其他“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，這其實是大量分子熱運動的一種宏觀表現。一般來說，分子的平均動能越高，溫度就越高；反之，平均動能越低，溫度就越低。

那為什么分子的平均動能越高，溫度就越高呢？可以這樣理解：由于分子的平均動能高，它們的運動速度相對來說就比較快，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，就是因為溫度高的火焰中大量分子的平均動能很高，把紙給撞擊穿了。另外，當你小心翼翼地把小紙條放在離蠟燭上端一定距離處時（要保證不要離得太遠又不要被火焰燃燒起來），你會發現小紙條在隨機地輕微擺動，這是為什么呢？因為火焰中的一些動能大的分子隨著火焰往上“流動”，大量運動的分子在無規則地撞擊小紙條。

而芝加哥的研究團隊正是利用上述所說的大量分子熱運動的特性和溫度差來實現熱懸浮。他們在一個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高于上面不銹鋼板的溫度，那么銅板中分子熱運動的劇烈程度就要強于不銹鋼板。這時，兩塊板之間產生的溫度差就會導致下面銅板中的熱流向上端不銹鋼板流動，而這樣的熱流遇到物體時便會產生一個熱泳力，一旦熱泳力的大小足以支撐板間的細小顆粒物重力，就可以實現熱懸浮。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，這需要通過實驗不斷地優化，從而得到合適的溫度梯度。

技術超群的清潔專家

據研究人員介紹，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控，從而保證懸浮顆粒的穩定性能。

當然，最讓人稱奇的是該熱懸浮方式對懸浮物的性質并無苛刻的要求。我們知道，一些十分精密的電子元器件在裝配過程中（尤其是在航天領域），對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。盡管現在能夠懸浮起尋常的顆粒物，但是對于大尺寸物體的懸浮仍在探索中。

沒有對比就沒有傷害

認識了熱懸浮之后，我們再來看看與其他懸浮技術相比，它有哪些優缺點呢？

磁懸浮

磁懸浮，顧名思義就是利用具有磁性的物質，來克服物體自身的重力，實現懸浮。但是磁懸浮存在許多問題，比如磁懸浮所懸浮的對象必須具有磁性，這樣才能保證懸浮。還有，磁懸浮的系統穩定性不是很好，稍有外界的干擾，就會破壞掉平衡性。然而，令人欣慰之處在于，磁懸浮的懸浮時間還是比較長的。

聲懸浮

相對于磁懸浮來說，聲懸浮就比較陌生了。聲懸浮實驗需要用到一臺超聲波發生器，在發生器的上下兩端，聲波進行不斷地反射，反射的過程就會形成一種所謂的駐波。我們把駐波振幅最小的地方稱為節點，如果把細小顆粒（也可以是液珠）放在節點處，就會發現細小顆粒是相對靜止的，這也是駐波與物體相互作用所產生的力抵消重力的結果。聲懸浮的不足之處在于只能在傳感器之間的某些區域（駐波節點處）才能實現懸浮。

光懸浮

光懸浮的一個比較出名的應用實例就是石墨烯了。2015年6月，研究人員發現，當給石墨烯一定頻率的光照時，石墨烯居然能動起來。這是什么情況呢？原來，當光打在石墨烯表面時，石墨烯吸收了光子后，釋放了電子出來，這種現象被稱為光電效應。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，石墨烯就是因為吸收光子噴射電子而懸浮起來。毫無疑問，光懸浮也是有短板的，對于毫米量級的宏觀尺度物體而言，光懸浮就有點顯得無能無力了。

總的說來，熱懸浮相對于磁懸浮而言具有更好的穩定性；相對于聲懸浮來說，熱懸浮可任意調整物體懸浮的位置，并且可以橫向隨意移動；相對于光懸浮來說，熱懸浮可拓展到毫米量級的宏觀尺度，這對于在實際生活中應用，有著積極的作用。目前，芝加哥團隊的研究人員正在研究厘米量級甚至更大尺度物體的熱懸浮，如若可能，熱懸浮方式或將改變人們未來的出行方式。

（責任編輯：司明婧 責任校對：曹偉）endprint