光电驱动石墨烯机理分析

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。

实验中，研究人员将一个重为4毫克的形似“海绵”的圆饼状三维这种石墨烯材料放置到真空管中，在如激光、氙灯、太阳光等不同光源的照射下，立即水平或竖直方向的位移，最大移动距离可达40厘米。

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。

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光压的千倍以上。

 “光压”是照射在物体上的大量光子的动量反冲产生的压强。太阳帆利用光压早已实现太空飞行，引起了世人的关注，最近美国的x-37太空飞机就带有一个太阳帆进行试验。但是，其缺陷主要是驱动力太小。

   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。

最新一期英国著名科普杂志《New Scientists》为该成果撰写的文章指出，

南开大学这个驱动力达光压的千倍以上的成果“再为石墨烯这种优良材料增添了一种惊人的性能。”

“石墨烯海绵可取代太阳能帆板，用以制造光动力推进系统的航天器。”

由垂直实验视频：

http://v.youku.com/v_show/id_XMTI1ODA5NjAyMA==.html?from=s1.8-1-1.2

看到：

光照时，石墨烯小圆片在真空管中迅速上升，

但因真空管的上部没有显示出来，未能看到上升达到的高度，

遮住光照时，石墨烯小圆片在真空管中迅速落下，

再光照时，石墨烯小圆片上升又在真空管中迅速上升，

再遮住光照时，石墨烯小圆片又在真空管中迅速落下，

如此实验多次。

   又由白光垂直实验视频：

http://v.youku.com/v_show/id_XMTI3MTA1MjA4NA==.html

.    看到

光照时，石墨烯小圆片上升高度达到1200px。

遮住光照时，石墨烯小圆片在真空管中迅速落下，

再光照时，石墨烯小圆片又上升高度达到1200px。

再遮住光照时，石墨烯小圆片又在真空管中迅速落下，

如此实验2次。

由于，可以判定其动力是光压的千倍以上，已可肯定石墨烯小圆片不是所受光压驱动的。

持续光照石墨烯小圆片上升，而到一定高度就停止或下落，就说明光致的驱动力会耗尽。

遮住光照，石墨烯小圆片落下后再光照时，石墨烯小圆片又能上升到一定高度就停止或下落，就说明在下落后，光致驱动力又能恢复。

因而，对其光致驱动原理，现有如下3种推测：

分别认为，是因，

1，光电效应使石墨烯小圆片中各原子喷出电子反冲，而上升，当喷出电子多到光电势垒达到相应的光子已不能使其再喷出电子，就上升到一定高度，即停止而下落，下落后，电子回到原子就又能再光电效应驱动而上升。

2，石墨烯小圆片中所吸附的气体，因吸收光子，热膨胀，喷出气体反冲，而上升，当喷出气体达到一定气压就不能再喷，就上升到一定高度，即停止而下落，下落后，气体被吸回到原子就又能吸收光子，热膨胀喷出气体，而上升。

3，真空管中尚存气体，被吸入，再类似2，的机理。

究竟是哪种正确呢？

可做相应的实验判断：

可将石墨烯小圆片用足够长的轻导线接到电池的负极上，持续光照，进行实验。

.    如果石墨烯小圆片能继续不停地上升，就可肯定是电池补充了电子所致，而驱动力就不可能是气体喷射造成的！

.    如果石墨烯小圆片不能继续上升，就可肯定不是喷射电子造成的！

如果是2，或3，石墨烯小圆片喷出气体，而上升，就应是质轻而能容纳较多气体的材料，例如：质轻、疏松的塑料更有利于光致驱动。

可选这类材料实验，看看是否能更好地被光驱动。

这样，是否就可以实验判定究竟是什么造成光致驱动力？！

而且，从理论分析：

如果是光致气体膨胀喷射，就需计算：

可使石墨烯小圆片的空隙中能含有多少气体？

光照多少时间后能使那些气体的

温度提高多少？

体积膨胀增大多少？

石墨烯小圆片能由怎样的喷管孔道喷出？

（看不出石墨烯小圆片能有高效提高动量的喷管）

能达到怎样的动量？

估计是很难达到实验所显示的驱动力！

如果物体是光电效应喷射电子驱动，则可设：

光子动能为hu，动量为hu/c，c为光速，但须注意：不同介质，折射率有显著的差别，其中的光速，也有显著的差别。

物体不带电时的光电势垒为s，

电子的质量为m，喷出的速度为v，

当光子按光电效应，从原子打出电子时，按能量、动量守恒简单估算，

作用前，电子速度=0，作用后，光子动量=0，

并设该原子质量=m’ 光子的能量因物体的光电势垒，而提供给物体的热能=m’v’^2/2也=应是该介质的s，(光照开始时,s应是电中性时的值)以及相应的动量= m’v’，

估算中，认为光电势垒使各发出电子的原子取得的能量是供给予原子的动能并转变为相应的热量，即采用：m’v’^2/2=该物体不带电时的光电势垒，s 。

则有：

hu- m’v’^2/2=mv^2/2，                        (1)

hu/c- m’v’=mv，  c应是该原子介质中的光速    (2)

   设：物体的质量为m*毫克，

       光照开始时，喷射的电子有n个，各原子反冲的能量总和还造成物体增加的热能= nm’v’^2/2，以及相应的动量= nm’v’，

物体由静止因光电作用而得到：上升的初速为v*，则有：

nmv^2/2- nm’v’^2/2=m*v*^2/2，                (3)

nmv- nm’v’=m*v*，                           (4)

已知有关各量：

电子的质量m=(9.1085 +,-0.0006)乘10^(-28) 克

普朗克常数h=(6.6252+,-0 .0005) 10^(-27) (尔格.秒)

各色光在真空中的波长和频率

光的颜色波长nm 频率1014Hz 光的颜色波长nm 频率1014Hz

红      770～620   3.9～4.8  绿      580～490  5.2～6.1

橙      620～600   4.8～5.0  蓝-靛   490～450  6.1～6.7

黄      600～580   5.0～5.2  紫      450～400  6.7～7.5

但是，没有石墨烯的有关数据。

真空中光速：c=299792.9 0.8千米/秒~2.998 乘10^10 厘米/秒

但是介质中的光速是真空中的光速乘相应的折射率，而石墨烯中的光速竟然只有真空中光速的 1/300。因而，光子在石墨烯中的动量就是真空中的300倍。

石墨烯中的光速：c=300乘2.998乘10^10 厘米/秒=8.994乘10^12 厘米/秒

物体的光电势垒，s，可由其发生光电效应的极限频率乘h表达

下表中列出了几种金属不带电时发生光电效应的极限波长、频率，的数值，

金属      铯    钠    锌    银    铂

λ/10-6m 0.6600 0.5000 0.3720 0.2600 0.1962

Hz/1014   4.55  5.38   8.07   11.5  15.3

   但是，没有查到石墨烯的有关数据。

对于石墨烯，只查到：

可以在1000GHz乘的光子（远紫外光）作用下运行。

估算中，对白光就取中间值，u=500GHz=5乘10^11次/秒。

石墨烯中光子动能hu=5乘10^11乘6.6252乘10^(-27) 尔格

=3.3126乘10^(-15) 尔格

石墨烯中光子动量hu/c=3.3126乘10^(-15)/ (8.994乘10^12) 克厘米/秒

                       =3.863乘10^(-28) 克厘米/秒

碳12的原子量=0.024千克。

0.024千克所含的碳12原子数为阿伏伽德罗常数。

阿伏伽德罗常数=6.023乘10^23/克分子。

4毫克碳12的原子数=6.023乘10^23/6000=1,004乘10^20(个)

   一个碳12原子的质量m’=4乘10^(-23)/1,004克=3.984乘10^(-23)克。

电子的质量m=9.1085 乘10^(-28) 克

石墨烯中光子动能hu=3.3126乘10^(-15) 尔格

石墨烯中光子动量hu/c=3.863乘10^(-28) 克厘米/秒

   石墨烯中光速c=8.994乘10^12 厘米/秒

   mc=9.1085 乘8.994乘10^(-16) 克厘米/秒

     = 8.922乘10^(-15) 克厘米/秒

   求各未知量：

由(2)：

v= (hu/c- m’v’)/ m，(以v’及各值代入)

v= (hu/c- m’v’)/ m

= (3.863乘10^(-28) +3.864乘10^(-28))/(9.1085 乘10^(-28))

= (7.727乘10^(-28))/ =(9.1085 乘10^(-28))

=0.8483厘米/秒，

v代入(1)：

2hu- m’v’^2=m((hu/c- m’v’)/ m)^2，

Av’^2+Bv’+C=0，

A=(m’^2+m’m)，

B=-2hu m’/c，

C=(hu/c)^2-2hum，

v’1=(-B/2+((-B/2)^2-AC)^(1/2))/A，

v’2=(-B/2-((-B/2)^2-AC)^(1/2))/A，

(B/2)^2=(hu m’/c)^2

=(3.863乘3.984乘10^(-51))^2

=(1.539乘10^(-50))^2

=2.369乘10^(-100)

AC=(hu/c)^2-2hum)(m’^2+m’m)

  =(3.863乘10^(-28))^2-2乘3.3126乘9.1085 乘10^(-43))

(3.984乘10^(-23)^2+3.984乘9.1085 乘10^(-51))

  =(1.492乘10^(-55) -6.035 乘10^(-42))

(1.587乘10^(-45) +3.629 乘10^(-50))

  =-9.578乘10^(-87)

  当(B/2)^2>AC，2解不同，均为实数，

v’1=(-B/2+((-B/2)^2-AC)^(1/2))/A

=(-hu m’/c+((hu m’/c)^2-(hu/c)^2-2hum)(m’^2+m’m))^(1/2))/(m’^2+m’m)，

=(-1.539乘10^(-50)+(9.580乘10^(-87)

/( 1.587乘10^(-45)+3.984乘9.1085 乘10^(-51))，

=-9.698乘10^(-6)厘米/秒，

v’2=(-B/2-((-B/2)^2-AC)^(1/2))/

=(hu m’/c-((hu m’/c)^2-(hu/c)^2-2hum)(m’^2+m’m))^(1/2))/(m’^2+m’m)，

=(-1.539乘10^(-50)-(9.580乘10^(-87)

/( 1.587乘10^(-45)+3.984乘9.1085 乘10^(-51))，

=-9.698乘10^(-6)厘米/秒，

  2解实际相等。

m’v’^2/2=3.747乘10^(-33)/2

      =1.874乘10^(-33) 尔格

  可见石墨烯不带电时的势垒s很小。

由(4)：

nmv- nm’v’=m*v*，

n=m*v*/(mv-m’v’)，(以v、v’及各值代入)

n=m*v*/(mv-m’v’)

=0.004乘0.5715/(1.147 乘10^(-27))

=1.993乘10^(24)个

   由(3)得到：

nmv^2/2- nm’v’^2/2=m*v*^2/2，                

v*=(mv^2- m’v’^2)/(mv-m’v’) ，(以v、v’ 及各值代入)

v* =(9.1085 乘10^(-28)乘0.8483^2-3.984乘10^(-23) (-9.698乘10^(-6))^2)

/(9.1085 乘10^(-28)乘0.8483) -3.984乘10^(-23) (-9.698乘10^(-6))

 =(6.555乘10^(-28) -3.747乘10^(-33))

/(1.147 乘10^(-27))

=0.5715厘米/秒

按实验观测已知石墨烯光电驱动力是光压的1000而可设该物体光压驱动的运动速度为v*/1000，

  若是n’个光子的能量，n’hu，光压，n’hu/c，（但是，此时c是真空中光速）使同样重量，m*，4毫克，的物体产生热能，m’v”^2/2，和相应的动量，nm’v”，按能量、动量守恒简单估算，有：

n’hu- n’m’v”^2/2= m*(v*/1000)^2/2，(1)

n’hu/c- n’m’v”= m*v*?1000，   (2)

   由(2)解得：

n’ =v* m*/(1000(hu/c- m’v”)) ，(以v”及各值代入)

n’ =0.5715乘0.004

/(3.3126乘10^(-22)/2.998+3.984 乘5.715乘10^(-23))

=2.286乘10^(-3)

/(1.105乘10^(-22) +2,277乘10^(-22))

=2.286乘10^19/3.382

=6.759乘10^18个。

n/n’=1.993乘10^24/ (6.759乘10^18)

=2.949乘10^5

   表明：光压驱动，作用的原子数是光电驱动的近万分之3。

n’代入(1)：

n’(2hu- m’v”^2)= m*(v*/1000)^2，

v”^2-v*v”/1000+(v*/(1000c)-2)hum’=0，即：

v”^2+Bv”+C=0，

B=- v* /1000，

C=-(v*/(1000c)-2)hum’，

解得：

v”1=(-B+(B^2-4C)^(1/2) )/2,

v”2=(-B-(B^2-4C)^(1/2) )/2,

B^2 =(-0.5715 /1000) ^2

=3.266乘10^(-7)

4C=4(-(5.715乘3.3126乘3.984乘10^(-32)/0.998)

=-3.023乘10^(-30)

   B^2>4C， 2解不同，均为实数

v”1=(-B+(B^2-4C)^(1/2) )/2,

  =(-5.715乘10^(-3)+5.715乘10^(-3))/2=0,

v”2=(-B-(B^2-4C)^(1/2) )/2,

  =(-5.715乘10^(-3)-5.715乘10^(-3))/2

=-5.715乘10^(-3) 厘米/秒,

v”应取=-5.715乘10^(-3) 厘米/秒

v’/ v”=9.698乘10^(-6)/5.715乘10^(-3)

   =1.697乘10^(-3)

   表明：光压驱动，各原子提供的热能是光电驱动的近千倍。

   由于喷出电子多到光电势垒达到相应的光子已不能再喷出电子，为了在太空，接受太阳光驱动能持续飞行，就可用太阳能电池，不断地给石墨烯飞行器补充电子。

   还可以利用反射屏，使得石墨烯飞行器可以逆光飞行。