这个高科技有点“悬”

李登仟

近日，美国芝加哥大学的两位大学本科生在物理核心学术期刊上发文宣称，他们利用真空腔中两块金属板的温度差可将不同性质的小颗粒悬浮起来。并且该热悬浮对所悬浮的小物体无选择性，从真正意义上实现了热悬浮。

说到悬浮，我们也许听说过最多的便是磁悬浮了，并且真正有意思的是，这个热悬浮居然可以让各式各样的小颗粒悬浮起来，这种无挑剔性的选择方式，是磁悬浮、声悬浮和光悬浮等悬浮所不能比拟的，既然热悬浮这么神奇，就让我们来一探究竟，顺便再认识一下其他“悬浮”的高科技，

无挑剔性的悬浮方式——热悬浮

一提起“热”，我们最先想到的便是“温度”之类的词语了。的确，如果我们感觉很热，这其实是大量分子热运动的一种宏观表现。一般来说，分子的平均动能越高，温度就越高；反之，平均动能越低，温度就越低。

那为什么分子的平均动能越高，温度就越高呢？可以这样理解：由于分子的平均动能高，它们的运动速度相对来说就比较快，大量分子撞击器壁的力也就越大。生活中，蜡烛的火焰能够把纸烧穿，就是因为温度高的火焰中大量分子的平均动能很高，把纸给撞击穿了。另外，当你小心翼翼地把小纸条放在离蜡烛上端一定距离处时（要保证不要离得太远又不要被火焰燃烧起来），你会发现小纸条在随机地轻微摆动，这是为什么呢？因为火焰中的一些动能大的分子随着火焰往上“流动”，大量运动的分子在无规则地撞击小纸条。

而芝加哥的研究团队正是利用上述所说的大量分子热运动的特性和温度差来实现热悬浮。他们在一个真空腔中平行放置两块金属板，一块金属板（铜）保持室温，一块金属板（不锈钢）用液氮冷却至-184℃左右，形成一定的温度差。

既然两块金属板之间是存在温度差的，并且下面铜板的温度远高于上面不锈钢板的温度，那么铜板中分子热运动的剧烈程度就要强于不锈钢板。这时，两块板之间产生的温度差就会导致下面铜板中的热流向上端不锈钢板流动，而这样的热流遇到物体时便会产生一个热泳力，一旦热泳力的大小足以支撑板间的细小颗粒物重力，就可以实现热悬浮。但必须注意的是，两块板间的距离和板表面积并不是任意的，这需要通过实验不断地优化，从而得到合适的温度梯度。

技术超群的清洁专家

据研究人员介绍，他们所制作的热悬浮装置可以让板间的悬浮颗粒悬浮1小时以上。不仅能够操作竖直方向上的悬浮力度，还能精确地从横向调控，从而保证悬浮颗粒的稳定性能。

当然，最让人称奇的是该热悬浮方式对悬浮物的性质并无苛刻的要求。我们知道，一些十分精密的电子元器件在装配过程中（尤其是在航天领域），对其表面清洁程度要求很高，而这样无接触和无污染的悬浮方式，为精密电子零件的组装提供了一条新的研究方向。尽管现在能够悬浮起寻常的颗粒物，但是对于大尺寸物体的悬浮仍在探索中。

没有对比就没有伤害

认识了热悬浮之后，我们再来看看与其他悬浮技术相比，它有哪些优缺点呢？

磁悬浮

磁悬浮，顾名思义就是利用具有磁性的物质，来克服物体自身的重力，实现悬浮。但是磁悬浮存在许多问题，比如磁悬浮所悬浮的对象必须具有磁性，这样才能保证悬浮。还有，磁悬浮的系统稳定性不是很好，稍有外界的干扰，就会破坏掉平衡性。然而，令人欣慰之处在于，磁悬浮的悬浮时间还是比较长的。

声悬浮

相对于磁悬浮来说，声悬浮就比较陌生了。声悬浮实验需要用到一台超声波发生器，在发生器的上下两端，声波进行不断地反射，反射的过程就会形成一种所谓的驻波。我们把驻波振幅最小的地方称为节点，如果把细小颗粒（也可以是液珠）放在节点处，就会发现细小颗粒是相对静止的，这也是驻波与物体相互作用所产生的力抵消重力的结果。声悬浮的不足之处在于只能在傳感器之间的某些区域（驻波节点处）才能实现悬浮。

光悬浮

光悬浮的一个比较出名的应用实例就是石墨烯了。2015年6月，研究人员发现，当给石墨烯一定频率的光照时，石墨烯居然能动起来。这是什么情况呢？原来，当光打在石墨烯表面时，石墨烯吸收了光子后，释放了电子出来，这种现象被称为光电效应。就像火箭升空一样，火箭向上的升力来自于背部火焰的喷射，石墨烯就是因为吸收光子喷射电子而悬浮起来。毫无疑问，光悬浮也是有短板的，对于毫米量级的宏观尺度物体而言，光悬浮就有点显得无能无力了。

总的说来，热悬浮相对于磁悬浮而言具有更好的稳定性；相对于声悬浮来说，热悬浮可任意调整物体悬浮的位置，并且可以横向随意移动；相对于光悬浮来说，热悬浮可拓展到毫米量级的宏观尺度，这对于在实际生活中应用，有着积极的作用。目前，芝加哥团队的研究人员正在研究厘米量级甚至更大尺度物体的热悬浮，如若可能，热悬浮方式或将改变人们未来的出行方式。

（责任编辑：司明婧 责任校对：曹伟）endprint