目前，幾乎所有的特種、航天飛行均采用化學(xué)驅(qū)動，即通過噴射燃燒的化學(xué)物質(zhì)來獲得驅(qū)動力，光直接驅(qū)動飛行是科學(xué)界和特種界多年的夢想。南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授和物理學(xué)院田建國教授的聯(lián)合科研團(tuán)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(nèi)的各種光源照射下驅(qū)動飛行，其獲得的驅(qū)動力是傳統(tǒng)光壓的千倍以上。該研究成果令“光動”飛行成為可能。

論文“Macroscopicanddirectlightpropulsionofbulkgraphenematerial”（大規(guī)模直接光驅(qū)動石墨烯材料）于6月15日，在線發(fā)表于國際著名學(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，而動力源問題一直羈絆著人類無法走得更遠(yuǎn)。“光直接驅(qū)動飛行”因其重大的學(xué)術(shù)意義和廣闊的應(yīng)用前景，成為世界各國科學(xué)家爭相研究的難題。在以往的大量研究中，科學(xué)家試圖利用“光壓”提供動力?！肮鈮骸笔巧湓谖矬w上的光所產(chǎn)生的壓強(qiáng)。光子同時具有質(zhì)量與速度，具有動量的大量光子照射在物體上產(chǎn)生的光壓會使物體移動。然而，來自光壓的驅(qū)動力微乎其微，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，可以在包括太陽光在內(nèi)的各種光源照射下有效驅(qū)動飛行。

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(fā)生了水平或豎直方向的位移，最大移動距離可達(dá)40厘米。

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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(qū)動這種石墨烯材料移動。實驗發(fā)現(xiàn)，光源的波長與石墨烯材料產(chǎn)生的驅(qū)動力成反比。即波長越短，材料產(chǎn)生的驅(qū)動力越大。

“這是我們了解到的，迄今為止科學(xué)界第一次用光推動一個宏觀物體并實現(xiàn)宏觀的驅(qū)動?！标愑绖俳淌谡f，通過定量測量，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?！巴ㄟ^計算，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)動帆板，理論上獲得的驅(qū)動力至少能使其達(dá)到0.09米每秒的加速度?！标愑绖僬f。

除了觀察到這種光直接驅(qū)動飛行外，研究團(tuán)隊經(jīng)過大量的實驗，提出了一種新的驅(qū)動機(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)動力，即這種特殊的驅(qū)動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)隊正在對這種這種機(jī)理的進(jìn)行進(jìn)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(fā)射源。該工作同時認(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。

最新一期英國著名科普雜志《NewScientists》為該成果撰寫了題為《Spacecraftbuiltfromgraphenecouldrunonnothingbutsunlight》評述。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?！薄笆┖＞d可以替代太陽能帆板，用以制造光動力推進(jìn)系統(tǒng)的航天器?！蔽恼轮校槭±砉W(xué)院教授PauloLozano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(chuàng)意。

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