最近,日本青山學(xué)院大學(xué)在一項研究中,首次實現(xiàn)了用激光操縱磁懸浮石墨烯運動,通過改變石墨烯的溫度,能改變它的懸浮高度,控制運動方向并讓它旋轉(zhuǎn),而且演示了陽光也能讓石墨烯旋轉(zhuǎn)。這一成果對研究光驅(qū)動人類運輸工具有重要意義,并有望帶來一種新型光能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。相關(guān)論文發(fā)表在最近出版的《美國化學(xué)協(xié)會期刊》上。
磁懸浮已證明對從火車到青蛙各種物體都有效,但至今還沒有一款磁懸浮的制動器,將外部能量轉(zhuǎn)化為動能。研究人員解釋說,產(chǎn)生磁懸浮是由于物體具有反磁性,會排斥磁場。所有物質(zhì)都有不同程度的反磁性,通常情況下反磁性很弱,無法讓物體浮起來。只有當(dāng)物體反磁性的強度超過其順磁性(被磁場吸引),合磁力為斥力且斥力大于重力時,才可能浮起。而石墨烯就是反磁性最強的材料之一。
反磁物體的懸浮高度取決于外加磁場和材料本身的反磁性,懸浮位置則可通過改變外加磁場來事先控制。迄今為止,用外部刺激如溫度、光、聲音等因素改變材料反磁性,從而控制磁懸浮物體的運動,還沒人能做到。
“該研究最重要的一點是實現(xiàn)了實時運動控制技術(shù),首次無需接觸而推動一個懸浮著的反磁物體。”論文合著者、青山學(xué)院大學(xué)教授安倍次郎(音譯)介紹說,“由于該技術(shù)簡單而且基本,預(yù)計它能用于日常生活的許多領(lǐng)域,比如運輸系統(tǒng)、娛樂活動、光照制動器以及光能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。”
實驗中,研究人員演示了用激光控制溫度,使一小片磁盤狀的石墨烯懸浮在一塊釹鐵硼(NdFeB)永磁鐵的上方。石墨烯的懸空高度會隨著溫度升高而下降,反之亦然。研究人員解釋說,改變溫度會改變石墨烯的磁化率,或它被外加磁場磁化的程度。在原子尺度,是激光的光熱效應(yīng)增加了石墨烯中熱激電子的數(shù)量,熱激電子越多,石墨烯的反磁性就越弱,從而懸浮的高度就越低。
把激光瞄準(zhǔn)石墨烯盤片中心可以控制高度,瞄準(zhǔn)邊緣能讓它運動和旋轉(zhuǎn)。因為改變溫度分布會改變磁化率分布,使石墨烯在磁場中受到的斥力不均衡,從而沿著與光束運動相同的方向運動。他們設(shè)計的旋轉(zhuǎn)裝置放在陽光下也會旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速超過200轉(zhuǎn)/分鐘。這對開發(fā)光驅(qū)動渦輪非常有用。
研究人員預(yù)測,放大這種激光控制磁懸浮運動的能力,有望推動磁懸浮制動器、光熱太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)展,還可用于低成本的環(huán)保發(fā)電系統(tǒng)、新型光驅(qū)運輸系統(tǒng)等領(lǐng)域。
安倍說:“目前,我們正計劃開發(fā)一種適合該系統(tǒng)的磁懸浮渦輪葉片。其中可能會有摩擦力破壞旋轉(zhuǎn),因此我們想用一種與MEMS(微機電系統(tǒng))有關(guān)的技術(shù),開發(fā)出高效的光能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在制動器方面,磁懸浮石墨烯能運輸近乎它本身重量的任何物體。如果能成功放大這一系統(tǒng)的話,用來開發(fā)個人交通工具就不是夢。”
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