南开大学科研团队研制出“光动”石墨烯材料

南开大学化学学院陈永胜教授和物理学院田建国教授的联合科研团队通过3年的研究,获得了一种特殊的石墨烯材料。该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。南开大学化学学院陈永胜教授和物理学院田建国教授的联合科研团队通过3年的研究,获得了一种特殊的石墨烯材料。该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。

615日,介绍这一成果的论文“Macroscopic and direct light propulsion of bulkgraphene material”(大规模直接光驱动石墨烯材料)在线发表于国际著名学术刊物《自然光学》(Nature Photonics)上。

空间飞行器是人类探索宇宙的重要工具,而动力源问题一直羁绊着人类无法走得更远。“光直接驱动飞行”因其重大的学术意义和广阔的应用前景,成为世界各国科学家争相研究的难题。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。

陈永胜教授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。

记者在位于南开大学的功能高分子材料教育部重点实验室看到,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。”陈永胜教授说,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。”陈永胜说。

除了观察到这种光直接驱动飞行外,研究团队经过大量的实验,提出了一种新的驱动机理,即这种材料在光作用下,通过发射大量的电子获得了相应的驱动力,即这种特殊的驱动是通过电子喷射获得的,完全不同于传统的化学火箭。目前陈永胜教授团队正在对这种这种机理的进行进一步的研究和验证。因此本材料还可以作为一种方便的电子发射源。该工作同时认为,其它具有类似Dirac能带的结构的材料,通过合适的组装也可能获得类似的性质和性能。

最新一期英国著名科普杂志《New Scientists》为该成果撰写了题为《Spacecraft built from graphene could run on nothing but sunlight》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。”“石墨烯海绵可以替代太阳能帆板,用以制造光动力推进系统的航天器。”文章中,麻省理工学院教授Paulo Lozano表示,最好的火箭是不需要任何燃料,石墨烯动力飞船是一个非常有趣的创意。

据了解,该成果是在国家科技部、自然科学基金委等支持下完成的。

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