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稀薄气体的热效应:光驱石墨烯还是热驱石墨烯 (四)? 精选

已有 4622 次阅读 2015-7-3 06:16 |个人分类:RGD|系统分类:科研笔记

下面我们计算克努森力如何随玻璃管中气体压强的变化而变化。我们考虑流动达到稳态时的克努森力。

首先,如果管内气压小于0.1Pa,则气体处在自由分子流区域,上文给出的理论公式仍然适用,克努森力随着压力的减少而线性减少。

如果管内气压增加,则气体进入过渡流区甚至滑移流区。此时,稀薄气体的行为可以通过数值求解玻耳兹曼方程得到,可惜计算量较大。为此,我们使用Shakhov提出的简化模型。同时,我们只考虑玻璃管的一个纵向剖面,把三维问题简化到二维。假设石墨烯处在玻璃管中间,直径为管径的三分之一,长度为玻璃管长度的十三分之一。石墨烯左端温度330K,右端300K,上下侧面温度300K。


上图显示管内气压0.1Pa时气体达到稳态时的流线图,其中红色虚线表示石墨烯边界。上下侧面附近气体并没有完全从低温端流向高温端是克努森力和气体压力共同作用的结果。数值计算得到的克努森力为0.2微牛,与上文理论解一致。

下图显示克努森力和管内气压的关系(经过归一化处理:0.1Pa下的克努森力设为1)。显然,力随着气压的增加而增加,直到气压达到7Pa 左右(此时克努森数大概为0.1),然后随着气压的增加而减少。最大克努森力达到3.8微牛,将近0.86mg石墨烯所受重力的一半。如果石墨烯两端温差达到100K,则最大克努森力就可以超过石墨烯重力。


以上计算表明,如果玻璃管内气压合适,弱光也能驱动石墨烯。

关于“光驱”石墨烯的实验视频我们看过三段。第一段是CCTV的报道,玻璃管连着气压计,红光照射后石墨烯跌跌撞撞,水平移动距离非常小。第二段来自Nature补充视频,玻璃管似乎密封,没有连着气压计(仅个人猜测,没有看到全貌)。第三段来自Youtube(碳世纪科技),玻璃管跟第二段视频类似,但是红光照射后石墨烯垂直升高的高度却远超第二段视频。其他优酷上的视频一个也打不开,郁闷。

第二段和第三段视频垂直高度的差异来自哪里?我们推测,要么使用的石墨烯质量相差很多,要么玻璃管的气压相差很大。

第一段和第二段视频的差异可能所用的气压根本就不同,并非在0.00068Torr下进行?




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