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如何解釋驗證石墨烯“光驅動”現象呢?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年08月10日  

首先我們來看傳統光壓:

對于全吸收:p=W/c

W是能流密度,單位是瓦每平方米,p是光壓,單位是帕斯卡,c是光速??紤]到石墨烯看起來是黑的,而且稀松,可以認為激光能以吸收為主。反射可以帶來更多的光壓,但是再考慮入射角度,真空管玻璃吸收反射等不利因素,我們可以用以上全吸收輻射壓公式計算光壓。用上一篇博文的數據,直接約掉等式兩邊的每平方米,W=3.5瓦,光壓產生的力就是3.5/c=1.2*10^-8牛頓,對于質量為0.4毫克的石墨烯,該力不到其重力的300分之一,不足以克服石墨烯與真空管之間的摩擦,不能把石墨烯往上打。

其次我們估算氣體脫附或者熱火箭帶來的動量反沖:

網友指出,論文中提到多次照射石墨烯質量沒有變化,但是考慮給出的質量數據有效位數只有兩位,我們可以假定千分之一的質量損失是測不出來的。作為簡單估算,可以認為噴射物質的溫度在1000攝氏度左右,對應熱速度超過1000米/秒(碳原子),那么石墨烯可以得到1米/秒的反沖,這將產生明顯可以觀測的移動。如果直接向上,可以上行5厘米。

對于氣體脫附(姬楊),由于噴射物質來自隨時補充的吸附氣體分子,只要石墨烯沒有破壞,質量永遠不會變。能噴射出的物質量不受千分之一石墨烯質量限制,而是取決于石墨烯的吸附能力。松散的石墨烯吸附能力很強。雖然沒有直接的數據,但是可以參考活性碳。由于激光能量足夠,噴射質量再增加幾倍(仍不超過石墨烯質量百分之一),就可以讓石墨烯向上運動幾米。

靜電解釋估算:

論文中提到激光打出的電流在3x10^-8~9x10^-7A.用1000毫秒脈沖實驗估算,大約打出5x10^-7庫侖電量,假定電荷再平衡(部分電子飛很遠,石墨烯從附近管壁及氣體中吸收電子)后,石墨烯和管壁都帶10^-8庫侖電量,電荷中心距離為1厘米,那么靜電斥力為keq1q2/r^2=9*10^910^-16/0.01^2~0.01牛頓,這對于質量只有0.4毫克大小的石墨烯,是一個很大的力,約是光壓的一百萬倍,重力的兩千多倍,即使再少一個量級電量,仍有光壓的1萬倍,重力的20倍,能驅動石墨烯走很遠。

活塞解釋估算:

洪建輝指出,由于真空管像一個活塞結構,激光加熱一邊的氣體導致真空管一邊壓強增加,從而推動作為活塞的石墨烯。流體動力學計算太復雜了,這里做一個靜壓估算:

對于0.86毫克樣品的例子,氣壓是6.8x10^-4torr,即0.09Pa。

假定一邊的空氣溫度上升到1000攝氏度,即氣壓上升到約4倍,那么壓強為0.36Pa,樣品直徑10mm,那么兩端壓強差產生的推力為(0.36-0.09)*3.14*(0.01/2)^2=0.000021牛頓=21微牛頓,超過重力0.86*10^-6*9.8=8.4微牛頓,應該產生明顯的推動。如果溫度上升一倍,那么也可以達到7微牛頓,仍然與重力差不多。

論文其實討論過光壓和laserabalation(即熱火箭),部分討論了氣體脫附(高溫處理),并排除了這些效應的影響,但是沒有討論活塞效應和靜電效應。

論文圖4e中的電子能量峰大約為70eV,這不是光電子。是激光等離子體相互作用產生的高能電子,有這種高能電子的存在,一定存在laserabalation,所以熱火箭和氣體脫附效應不能排除。光譜儀和熱成像儀可以驗證這兩種效應的存在。活塞效應可以通過在真空管樣品后端上方或旁邊另放一塊小石墨烯(不能固定)驗證,觀察它在未受到照射的情況下是否會動。熱成像儀恐怕不行,因為氣體太稀薄了。

要區別不同機制一個辦法就是減少激光光強,去除熱效應和強場效應,只保留論文提出的發射電子效應。

其實根據論文中的信息,即太陽光也能夠驅動石墨烯,如果不是石墨烯太輕太容易吸熱變形,只能是靜電效應了。

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