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南开大学一研究团队研制出“光动”石墨烯材料

www.jyb.cn 2015年06月23日  来源:中国青年报

  本报讯(记者张国 通讯员 吴军辉)经过3年研究,南开大学一支研究团队获得一种特殊的石墨烯材料,可在包括太阳光在内的各种光源照射下驱动飞行,其获得的驱动力是传统光压的千倍以上。该研究成果令“光动”飞行成为可能。

  目前,几乎所有的航空、航天飞行均采用化学驱动,即通过喷射燃烧的化学物质来获得驱动力,光直接驱动飞行是科学界和航空界多年的梦想。动力源问题一直羁绊着人类无法走得更远。在以往的大量研究中,科学家试图利用“光压”提供动力。“光压”是射在物体上的光所产生的压强。光子同时具有质量与速度,具有动量的大量光子照射在物体上产生的光压会使物体移动。然而,来自光压的驱动力微乎其微,远不能满足航空和航天的负载要求。

  6月15日,《自然-光学》(Nature Photonics)杂志在线发表了南开大学化学学院陈永胜教授和物理学院田建国教授联合科研团队的论文。陈永胜团队研制出的这种石墨烯材料,在其宏观材料特殊形貌结构和石墨烯自身特殊电子结构的共同作用下,可以在包括太阳光在内的各种光源照射下有效驱动飞行。

  在位于南开大学的功能高分子材料教育部重点实验室里,研究人员将一个重为4毫克的形似“海绵”的圆饼状三维石墨烯材料放置到真空管中。在不同光源的“推动”下,“海绵”瞬间发生了水平或竖直方向的位移,最大移动距离可达40厘米。

  研究人员介绍,实验所用光源都较弱,如普通激光、氙灯等。实验发现,光源的波长与石墨烯材料产生的驱动力成反比。即波长越短,材料产生的驱动力越大。通过室外实验,研究人员发现太阳光同样可以驱动这种石墨烯材料移动。

  “这是我们了解到的,迄今为止科学界第一次用光推动一个宏观物体并实现宏观的驱动。”陈永胜说,通过定量测量,这种石墨烯材料在光照条件下产生的力是传统光压的千倍以上。“通过计算,500公斤的负载,如果利用基于这种石墨烯材料制备的驱动帆板,理论上获得的驱动力至少能使其达到0.09米每秒的加速度。”

  除了观察到这种光直接驱动飞行外,研究团队经过大量实验,提出一种新的驱动机理,即这种材料在光作用下,通过发射大量的电子获得相应的驱动力,这种特殊驱动是通过电子喷射获得的,完全不同于传统的化学火箭。目前,陈永胜团队正在对这种机理进行进一步研究和验证。

  最新一期英国著名科普杂志《新科学家》为该成果撰写评述文章指出,该成果“再为石墨烯这种优良材料增添了一种惊人的性能”。



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{ 编辑:周玲玲 }

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