目前，幾乎所有的航空、航天飛行均采用化學驅動，即通過噴射燃燒的化學物質來獲得驅動力，光直接驅動飛行是科學界和航空界多年的夢想。南開大學化學學院陳永勝教授和物理學院田建國教授的聯合科研團隊通過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千倍以上。該研究成果令光動飛行成為可能。

論文Macroscopic and direct light propulsion of bulk graphene material（大規模直接光驅動石墨烯材料）于6月15日，在線發表于國際著名學術刊物《自然-光學》（Nature Photonics）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，而動力源問題一直羈絆著人類無法走得更遠。光直接驅動飛行因其重大的學術意義和廣闊的應用前景，成為世界各國科學家爭相研究的難題。在以往的大量研究中，科學家試圖利用光壓提供動力。光壓是射在物體上的光所產生的壓強。光子同時具有質量與速度，具有動量的大量光子照射在物體上產生的光壓會使物體移動。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。

陳永勝教授團隊研制出的這種石墨烯材料，在其宏觀材料特殊形貌結構和石墨烯自身特殊電子結構的共同作用下，可以在包括太陽光在內的各種光源照射下有效驅動飛行。

記者在位于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。

研究人員介紹，實驗所用光源都很普通，如激光、氙燈等。室外實驗中，太陽光同樣可以驅動這種石墨烯材料移動。實驗發現，光源的波長與石墨烯材料產生的驅動力成反比。即波長越短，材料產生的驅動力越大。

這是我們了解到的，迄今為止科學界第一次用光推動一個宏觀物體并實現宏觀的驅動。陳永勝教授說，通過定量測量，這種石墨烯材料在光照條件下產生的力是傳統光壓的千倍以上。通過計算，500公斤的負載，如果利用基于這種石墨烯材料制備的驅動帆板，理論上獲得的驅動力至少能使其達到0.09米每秒的加速度。陳永勝說。

除了觀察到這種光直接驅動飛行外，研究團隊經過大量的實驗，提出了一種新的驅動機理，即這種材料在光作用下，通過發射大量的電子獲得了相應的驅動力，即這種特殊的驅動是通過電子噴射獲得的，完全不同于傳統的化學火箭。目前陳永勝教授團隊正在對這種這種機理的進行進一步的研究和驗證。因此本材料還可以作為一種方便的電子發射源。該工作同時認為，其它具有類似Dirac能帶的結構的材料，通過合適的組裝也可能獲得類似的性質和性能。

最新一期英國著名科普雜志《New Scientists》為該成果撰寫了題為《Spacecraft built from graphene could run on nothing but sunlight》評述。文章指出該成果再為石墨烯這種優良材料增添了一種驚人的性能。石墨烯海綿可以替代太陽能帆板，用以制造光動力推進系統的航天器。文章中，麻省理工學院教授Paulo Lozano表示，最好的火箭是不需要任何燃料，石墨烯動力飛船是一個非常有趣的創意。

據了解，該成果是在國家科技部、自然科學基金委等支持下完成的。

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