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南开大学的石墨烯材料可以实现“光驱动”空间飞行吗? 精选

已有 8616 次阅读 2015-6-21 23:06 |个人分类:个人看法|系统分类:科研笔记| 南开大学, 石墨烯, 光驱动

 

6月20日中央电视台报道,南开大学经三年研究,获得一种特殊的石墨烯材料,可以在包括太阳光在内的各种光源照射下驱动飞行,并称驱动力是传统光压的1000倍以上,可以用来实现人类梦想的光驱动空间飞行。这真的是一个伟大的发现吗?

该石墨烯的具体性质我不了解,但是根据报道中提出的原理,该材料不可能在自由空间中提供超过传统光压的驱动力。文中给出的原理是石墨烯受光照射后会发射电子,发射电子获得的动量反推,当然超过直接吸收,或者反射回去一个没有静止质量的光子。但是这个过程可以持续吗?也就是说,只要有光,在空间中可以持续发射电子吗?当然是不可以的,光电子的能量不过几个电子伏特,石墨烯发射一些电子出去以后,自身带正电荷,只要石墨烯或者飞行器电位超过电子的能量,电子就出不去了。而且,如果这一原理成立,并不需要特殊的石墨烯,普通的光电材料就可以。

如果该光驱动原理不成立,那么报道视频中石墨烯被光照射后快速运动,又是怎么回事呢?首先实验中的石墨烯很轻,只有4毫克,其次,它放在一个真空管里面。石墨烯在光照下是可以发射电子的,自然就会带上正电荷,以石墨烯被照部分及周边为一个整体,由于丧失部分电子,整个区域在电荷再平衡过后带正电,也就是部分真空管壁也带正电,管壁排斥石墨烯使它快速移动。这是一个简单的静电效应。

那么材料究竟可以不可以实现“光驱动”空间飞行呢?如果先在空间铺设一条无穷长的真空管,的确可以用光持续驱动很小质量的物体。自由空间呢?其实也可以,因为任何材料都可以。只是考虑它对光子的吸收,效率不会比厨房里的锡箔纸更高。

 

补附:文章发表在Nature Photonics上了,链接如下

http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2015.105.html

推动原理解释绝对有问题,光电子发射得到的反推动量少得可怜。如果是光驱动,在光的照射下,应该持续移动才对,明明是一跳一跳的。

新闻联播的一个视频下面可以看到:

http://news.enorth.com.cn/system/2015/06/21/030321039.shtml

 

上面的讨论以新闻为依据。

新闻里石墨烯的质量和文章中的不一样。新闻说4毫克,文章中只有0.4毫克(不同样品不一样)。对于那么轻(1毫克/CC),质量那么小的物体,实验中用到的激光太强了(86W/平方厘米,光斑大小约4平方毫米,相当于功率3.5W),一两秒的照射足够直接将热斑处的石墨烯加热到几千上万度(从新闻视频上看,被加热部分的体积大约只有整块样品的10%,也就是大约0.04毫克,几焦耳的能量能将该体积的石墨烯加热到几万度),即使没有气体脱附,石墨烯本身的气化也可以变成热火箭了。

文章中另提到多次激光照射后样品质量没有变化。这有两个可能。一是质量变化太小,测量不出来,但的确有质量损失,不排除热火箭原理。如果完全没有质量变化,或者不足以支持热火箭,那么静电解释可以成立。


这个问题的主要讨论网页见陈学雷研究员的博文:

http://blog.sciencenet.cn/blog-3061-899676.html

另有姬杨先生的气体脱附解释:

http://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-899915.html



https://blog.sciencenet.cn/blog-268546-899668.html

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