產學差距究竟有多大-#6. 用石墨烯實現光碟機動飛行

2016-03-31n

(2015-06-20) 新華網：南開大學化學學院陳〇勝教授和物理學院田〇國教授領導的科研團隊經過 3 年的研究，獲得了一種特殊的石墨烯材料，這種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 1,000 倍以上，「光動」飛行或將成為可能。在以往的大量研究中，科學家試圖利用「光壓」獲得動力。「光壓」是射在物體上的光所產生的壓強。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。陳永勝教授等專家研製出的這種石墨烯材料，可以在包括太陽光在內的各種光源照射下有效驅動飛行。

記者在位於南開大學的功能高分子材料教育部重點實驗室看到，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。

想像力真豐富，不是嗎？虧我還買了陳永勝寫的「石墨烯－新型二維碳納米材料」來看。所謂重為 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，就是我們上一篇寫的「石墨烯氣凝膠」。

理論上，在光的照射下，這種材料發射電子，於是獲得了推力。這裡光的作用並非提供動量產生推力，而是提供能量發射電子，這些電子就好像火箭的噴流一樣，通過反作用力產生推力。假定一個光子的能量為 E，其動量為 p = E╱c (c 是光速），那麼它本身在被全反射的情況下也只能產生 2E╱c 的動量。但是發射電子的動量呢？假定電子在材料內的表面能為 F，考慮最簡單的情況，一個光子激發出一個電子（這就是光電效應），理論上電子射出的最大能量為 E-F，如果用普通光源（不是伽瑪射線），激發出的電子做「非相對論運動」，那麼 E-F = P^2╱(2m)，這裡 P 是電子的動量，m 是電子質量，那麼 P = (2m(E-F))^(1/2),只要材料表面能 F 比較小（我估計這就是他們所以要用石墨烯的原因），這個量的確可能遠遠大於np =E╱c，所以這的確可以產生相當的推力。

不過，如果這種材料的光碟機動原理確實是這樣的話，它就只能短暫地產生推力而無法持續，因為隨著越來越多電子發射出去，材料里的正電荷過剩，很快會帶上正電。這個正電會增強對電子（負電荷）的吸引，到後來電子就無法發射出去了。所以說不該是光壓造成的，太多變數都有可能做到驅動。

所有的實驗都使用了很強的光，以產生「驅動」效應，無論是激光（很強），氙弧光（很強），還是陽光（使用了透鏡）。照射到毫克量級樣品上的光必須達到瓦量級，才能出現明顯的「驅動」。幾焦耳的能量加到毫克量級的樣品上，熱效應非常強，而論文沒有討論熱效應的影響。這是很大的缺憾。至於更多的質疑聲音，請參考我寫的n人類有了光碟機動石墨烯材料，應該怎樣設計光速宇宙飛船？ - 宮非的回答 。

學術研究應該是簡單、乾淨的，任何疑似造假或嘩眾取寵的作為，往往很難被大眾以放大鏡來看，這對我們從事科研工作的人，不也是個警惕嗎？請記住：吸引眼光是短暫的，真材實料才能被大家所接受。

Ref.: NaturenPhotonics 9, 471–476 (2015) | doi:10.1038/nphoton.2015.105