¿Qué tan delgados pueden ser los cables de una malla de oro de longitud de onda inferior y aún ser la mitad de reflectantes que una lámina sólida? ¿Qué física dicta esto?

Un metal es reflectante porque es conductor. La conductividad limitará la reflectividad a medida que se vuelve delgada y estrecha.

Hay consideraciones más allá de esto, por supuesto, si desea hacer una vela solar. Una malla metálica lo más fina posible sería débil y frágil. La fuerza importa. La capacidad de fabricación de una vela gigante es importante. La capacidad de sobrevivir en la atmósfera de la Tierra antes de que el lanzamiento, el lanzamiento y el despliegue sean importantes. El daño por radiación es importante. Pero me centraré en las cosas que afectan la reflectividad.

La elección de los asuntos materiales. Un problema con el oro es su reflectividad en todo el espectro. Desea que sea más reflectante en las longitudes de onda que el Sol emite con más fuerza. Este es el espectro.

Esta es la reflectividad.

El oro es menos reflectante (menos conductor) que la plata o el aluminio en una parte importante del espectro.

La reflexión ocurre en la superficie de un metal. La radiación hace vibrar a los electrones de conducción. Los electrones vibrantes irradian. Esta es la luz reflejada. La corriente decae exponencialmente con la profundidad en el metal. La constante de decaimiento depende de la conductividad.

dónde$\sigma$es la profundidad de la piel

Si la capa de oro es más delgada que unos pocos$\sigma$, la luz se transmitirá a través de él. Para el oro, esto es bastante grueso. Como dice el enlace en la publicación, un$500$La capa de oro de angstrom en las placas frontales de los astronautas reflejaba esencialmente todo el infrarrojo, pero aproximadamente la mitad del visible. Esto es lo que quieres para una placa frontal más que para una vela solar.

Por otro lado, tu enlace ¿ Qué tan realista es la vela solar de 1 kg/km² en “Death's End”? dice que una "lámina" de Al de 5 nm es óptima. A ese espesor, Al es$50$% reflexivo. Luego sugiere una cuadrícula de$5$Los cables nm también serían efectivos.

El enlace está interesado en reducir el peso tanto como aumentar la reflectividad. No se mencionó, pero tal vez una cuadrícula de decir$10$Los cables nm estarían más cerca de$100$% reflectante, y no tan pesado. Una rejilla de alambre se fortalecería con otros alambres más fuertes.

Otra consideración es que un metal es reflectante porque los electrones se dispersan a través del metal. Se pueden mover fácilmente, lo que los hace conductores. Clásicamente, el campo eléctrico oscilante en la luz hace vibrar los electrones, y los electrones que vibran irradian luz. Resulta que la luz entrante se absorbe y la luz irradiada es el reflejo.

Los electrones pueden moverse porque los átomos vecinos no tienen orbitales separados individuales, cada uno con la misma energía. En cambio, se superponen y forman bandas, estados con muchos niveles de energía estrechamente espaciados.

El oro es tan sólido. El oro es más conductivo a frecuencias más bajas. La luz roja e infrarroja se refleja bien, pero la luz azul se absorbe. Así que el oro es de color dorado.

Para que esto funcione, tiene que haber suficientes átomos de metal para formar un sólido con una estructura de bandas. El sólido debe ser lo suficientemente grande para que los electrones vibren e irradien.

Las películas de oro pulverizadas más delgadas son típicamente$10$nm de espesor. Debajo de eso, el oro forma islas en lugar de una película. Este documento lo reduce a$5.4$nm y parece decir que las propiedades ópticas son comparables a lo que esperaría en oro a granel. Hay un efecto del sustrato, pero en una vela solar, la gente está hablando (quizás deseando) de sustratos removibles. Aún así, puede ser difícil hacer alambres de oro tan delgados.

Dado que un$54$La película de angstrom se comporta como el volumen, la profundidad de la piel es el factor limitante en una película.

Es difícil hacer alambres tan delgados y angostos como una película. Los registros de muestra para alambres finos de oro tienen algunos enlaces. Uno, Gold Wire-networks: Particle Array Guided Evaporation Lithograpy , es un resumen que menciona esperanzas de depositar cables en el rango de micras a submicras. No pude encontrar el papel en sí.

Los cables deben correr en múltiples direcciones. La luz polarizada en paralelo a los cables puede excitar los electrones para que vibren a lo largo del cable y se refleja bien. La luz polarizada perpendicular a los cables no puede y no se refleja.

Los cables deben estar separados menos de una longitud de onda de luz o la luz se difractará entre ellos.