石墨烯光驱动飞行真的可行吗?

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   中国运载火箭技术研究院研发中心通过理论方法和数值模拟相结合的手段,成功设计了一种光推进石墨烯复合材料薄膜,从而为光驱动飞行奠定了基础。这篇文章提到,已有研究表明,用光照射石墨烯材料时可产生传统光压1000倍以上的驱动力。如果所言不虚,那石墨烯光驱动将引发飞行器推进技术领域的巨大革命!

 

不过,查阅过往资料可发现,关于石墨烯光驱动的报道早在2015年就已经在媒体上引起广泛讨论。知乎上还专门有一个主题用于评价这件事(“如何评价中国研究者使用光驱动使宏观形态的石墨烯移动?”【2】)。那个主题讨论的是南开大学化学学院陈永胜教授和物理学院田建国教授领导的科研团队在2015年6月15日发表在Nature photonics上的学术论文(Macroscopic and direct light propulsion of bulk graphene material【3】)。这篇论文认为,光照射石墨烯材料时,会由于俄歇效应(Auger effect)激发出电子向外散射,从而产生动量推动石墨烯材料运动。

 

石墨烯光驱动原理(来自知乎)


然而,不少学者对于这篇论文阐述的机理并不赞同,认为光照射石墨烯产生的推动力并非来自激发电子,而是来自石墨烯表面吸附气体在光照射下的脱附效应。科学网上的一篇文章认为“论文中给出的实验条件表明,石墨烯所处的真空管并非完全真空。因此,光照射石墨烯时,会导致残余气体的吸附和脱附。当材料不同部位存在温差时,气体吸附和脱附的比例失衡,就会导致宏观上的压差。”【4】这篇文章通过具体的数值计算,认为气体脱附而非电子激发才是石墨烯光驱动的最主要原因。然而,真实的外太空中,材料中的残余气体不可能长时间保留。因此,采用光照射石墨烯在真空中持续飞行是无法实现的。

 

不过,对于气体脱附理论,也有人质疑其正确性。同样来自知乎的一位材料学博士,他说论文原作者陈永胜教授在实验中还发现“用不同频率的光照射石墨烯时,所得到的移动距离不一样,光波长越短,移动距离越大,这个现象与俄歇电子理论的解释是吻合的,而气体脱附理论完全不能解释。此外,石墨烯不接地时光驱动现象不能持续,而接地后可以持续出现,这也与俄歇电子理论吻合,同样不能用气体脱附理论解释。”不过,文章也承认,“光照射确实不可能无限制打出俄歇电子,需要通过给石墨烯接地补充电子才可能持续进行”【3】。因此,该材料学博士的结论是:石墨烯光驱动实现实用化还早。

 

当然,我们注意到,以上讨论、质疑以及再质疑都发生在2015年。如今,三年过后,不知道石墨烯光驱动背后的真正科学原理是否已经完全阐明?而阐明原理后的石墨烯是否有望实现太空光驱动持续飞行?



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