目前，幾乎所有的特種、航天飛行均采用化學(xué)驅(qū)動(dòng)，即通過噴射燃燒的化學(xué)物質(zhì)來獲得驅(qū)動(dòng)力，光直接驅(qū)動(dòng)飛行是科學(xué)界和特種界多年的夢(mèng)想。南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授和物理學(xué)院田建國(guó)教授的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)通過3年的研究，獲得了一種特殊的石墨烯材料。該材料可在包括太陽(yáng)光在內(nèi)的各種光源照射下驅(qū)動(dòng)飛行，其獲得的驅(qū)動(dòng)力是傳統(tǒng)光壓的千倍以上。該研究成果令“光動(dòng)”飛行成為可能。

論文“Macroscopicanddirectlightpropulsionofbulkgraphenematerial”（大規(guī)模直接光驅(qū)動(dòng)石墨烯材料）于6月15日，在線發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物《自然-光學(xué)》（NaturePhotonics）上，介紹了這一成果。

空間飛行器是人類探索宇宙的重要工具，而動(dòng)力源問題一直羈絆著人類無(wú)法走得更遠(yuǎn)。“光直接驅(qū)動(dòng)飛行”因其重大的學(xué)術(shù)意義和廣闊的應(yīng)用前景，成為世界各國(guó)科學(xué)家爭(zhēng)相研究的難題。在以往的大量研究中，科學(xué)家試圖利用“光壓”提供動(dòng)力。“光壓”是射在物體上的光所產(chǎn)生的壓強(qiáng)。光子同時(shí)具有質(zhì)量與速度，具有動(dòng)量的大量光子照射在物體上產(chǎn)生的光壓會(huì)使物體移動(dòng)。然而，來自光壓的驅(qū)動(dòng)力微乎其微，遠(yuǎn)不能滿足特種和航天的負(fù)載要求。

陳永勝教授團(tuán)隊(duì)研制出的這種石墨烯材料，在其宏觀材料特殊形貌結(jié)構(gòu)和石墨烯自身特殊電子結(jié)構(gòu)的共同作用下，可以在包括太陽(yáng)光在內(nèi)的各種光源照射下有效驅(qū)動(dòng)飛行。

記者在位于南開大學(xué)的功能高分子材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室看到，研究人員將一個(gè)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(dòng)”下，“海綿”瞬間發(fā)生了水平或豎直方向的位移，最大移動(dòng)距離可達(dá)40厘米。

研究人員介紹，實(shí)驗(yàn)所用光源都很普通，如激光、氙燈等。室外實(shí)驗(yàn)中，太陽(yáng)光同樣可以驅(qū)動(dòng)這種石墨烯材料移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光源的波長(zhǎng)與石墨烯材料產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力成反比。即波長(zhǎng)越短，材料產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力越大。

“這是我們了解到的，迄今為止科學(xué)界第一次用光推動(dòng)一個(gè)宏觀物體并實(shí)現(xiàn)宏觀的驅(qū)動(dòng)。”陳永勝教授說，通過定量測(cè)量，這種石墨烯材料在光照條件下產(chǎn)生的力是傳統(tǒng)光壓的千倍以上。“通過計(jì)算，500公斤的負(fù)載，如果利用基于這種石墨烯材料制備的驅(qū)動(dòng)帆板，理論上獲得的驅(qū)動(dòng)力至少能使其達(dá)到0.09米每秒的加速度。”陳永勝說。

除了觀察到這種光直接驅(qū)動(dòng)飛行外，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，提出了一種新的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，即這種材料在光作用下，通過發(fā)射大量的電子獲得了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，即這種特殊的驅(qū)動(dòng)是通過電子噴射獲得的，完全不同于傳統(tǒng)的化學(xué)火箭。目前陳永勝教授團(tuán)隊(duì)正在對(duì)這種這種機(jī)理的進(jìn)行進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。因此本材料還可以作為一種方便的電子發(fā)射源。該工作同時(shí)認(rèn)為，其它具有類似Dirac能帶的結(jié)構(gòu)的材料，通過合適的組裝也可能獲得類似的性質(zhì)和性能。

最新一期英國(guó)著名科普雜志《NewScientists》為該成果撰寫了題為《Spacecraftbuiltfromgraphenecouldrunonnothingbutsunlight》評(píng)述。文章指出該成果“再為石墨烯這種優(yōu)良材料增添了一種驚人的性能。”“石墨烯海綿可以替代太陽(yáng)能帆板，用以制造光動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的航天器。”文章中，麻省理工學(xué)院教授PauloLozano表示，最好的火箭是不需要任何燃料，石墨烯動(dòng)力飛船是一個(gè)非常有趣的創(chuàng)意。

據(jù)了解，該成果是在國(guó)家科技部、自然科學(xué)基金委等支持下完成的。