我國研製出“光動”材料 可用於無燃料宇宙飛船

《中國青年報》(2015年06月23日 06 版)

本報訊(記者張國 通訊員 吳軍輝)經過3年研究，南開大學一支研究團隊獲得一種特殊的石墨烯材料，可在包括太陽光在內的各種光源照射下驅動飛行，其獲得的驅動力是傳統光壓的千倍以上。該研究成果令“光動”飛行成為可能。

目前，几乎所有的航空、航天飛行均採用化學驅動，即通過噴射燃燒的化學物質來獲得驅動力，光直接驅動飛行是科學界和航空界多年的夢想。動力源問題一直羈絆人類無法走得更遠。在以往的大量研究中，科學家試圖利用“光壓”提供動力。“光壓”是射在物體上的光所生的壓強。光子同時具有質量與速度，具有動量的大量光子照射在物體上生的光壓會使物體移動。然而，來自光壓的驅動力微乎其微，遠不能滿足航空和航天的負載要求。

6月15日，《自然-光學》(Nature Photonics)雜誌在發表了南開大學化學學院陳永勝教授和物理學院田建國教授聯合科研團隊的論文。陳永勝團隊研製出的這種石墨烯材料，在其宏觀材料特殊形貌結構和石墨烯自身特殊電子結構的共同作用下，可以在包括太陽光在內的各種光源照射下有效驅動飛行。

在位於南開大學的功能高分子材料教育部重點實驗室裏，研究人員將一個重為4毫克的形似“海綿”的圓餅狀三維石墨烯材料放置到真空管中。在不同光源的“推動”下，“海綿”瞬間發生了水平或豎直方向的位移，最大移動距離可達40厘米。

研究人員介紹，實驗所用光源都較弱，如普通激光、氙燈等。實驗發現，光源的波長與石墨烯材料生的驅動力成反比。即波長越短，材料生的驅動力越大。通過室外實驗，研究人員發現太陽光同樣可以驅動這種石墨烯材料移動。

“這是我們了解到的，迄今為止科學界第一次用光推動一個宏觀物體並實現宏觀的驅動。”陳永勝，通過定量測量，這種石墨烯材料在光照條件下生的力是傳統光壓的千倍以上。“通過計算，500公斤的負載，如果利用基於這種石墨烯材料製備的驅動帆板，理論上獲得的驅動力至少能使其達到0.09米每秒的加速度。”

除了觀察到這種光直接驅動飛行外，研究團隊經過大量實驗，提出一種新的驅動機理，即這種材料在光作用下，通過發射大量的電子獲得相應的驅動力，這種特殊驅動是通過電子噴射獲得的，完全不同於傳統的化學火箭。目前，陳永勝團隊正在對這種機理進行進一步研究和驗證。

最新一期英國著名科普雜誌《新科學家》為該成果撰寫評述文章指出，該成果“再為石墨烯這種優良材料增添了一種驚人的性能”。