日本首次實(shí)現(xiàn)激光操縱磁懸浮石墨烯運(yùn)動(dòng)

最近，日本青山學(xué)院大學(xué)在一項(xiàng)研究中，首次實(shí)現(xiàn)了用激光操縱磁懸浮石墨烯運(yùn)動(dòng)，通過(guò)改變石墨烯的溫度，能改變它的懸浮高度，控制運(yùn)動(dòng)方向并讓它旋轉(zhuǎn)，而且演示了陽(yáng)光也能讓石墨烯旋轉(zhuǎn)。這一成果對(duì)研究光驅(qū)動(dòng)人類運(yùn)輸工具有重要意義，并有望帶來(lái)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(guó)化學(xué)協(xié)會(huì)期刊》上。

磁懸浮已證明對(duì)從火車到青蛙各種物體都有效，但至今還沒(méi)有一款磁懸浮的制動(dòng)器，將外部能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。研究人員解釋說(shuō)，產(chǎn)生磁懸浮是由于物體具有反磁性，會(huì)排斥磁場(chǎng)。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(wú)法讓物體浮起來(lái)。只有當(dāng)物體反磁性的強(qiáng)度超過(guò)其順磁性(被磁場(chǎng)吸引)，合磁力為斥力且斥力大于重力時(shí)，才可能浮起。而石墨烯就是反磁性最強(qiáng)的材料之一。

反磁物體的懸浮高度取決于外加磁場(chǎng)和材料本身的反磁性，懸浮位置則可通過(guò)改變外加磁場(chǎng)來(lái)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(yùn)動(dòng)，還沒(méi)人能做到。

“該研究最重要的一點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，首次無(wú)需接觸而推動(dòng)一個(gè)懸浮著的反磁物體?！闭撐暮现摺⑶嗌綄W(xué)院大學(xué)教授安倍次郎(音譯)介紹說(shuō)，“由于該技術(shù)簡(jiǎn)單而且基本，預(yù)計(jì)它能用于日常生活的許多領(lǐng)域，比如運(yùn)輸系統(tǒng)、娛樂(lè)活動(dòng)、光照制動(dòng)器以及光能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。”

實(shí)驗(yàn)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(huì)隨著溫度升高而下降，反之亦然。研究人員解釋說(shuō)，改變溫度會(huì)改變石墨烯的磁化率，或它被外加磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。因?yàn)楦淖儨囟确植紩?huì)改變磁化率分布，使石墨烯在磁場(chǎng)中受到的斥力不均衡，從而沿著與光束運(yùn)動(dòng)相同的方向運(yùn)動(dòng)。他們?cè)O(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)裝置放在陽(yáng)光下也會(huì)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速超過(guò)200轉(zhuǎn)/分鐘。這對(duì)開(kāi)發(fā)光驅(qū)動(dòng)渦輪非常有用。

研究人員預(yù)測(cè)，放大這種激光控制磁懸浮運(yùn)動(dòng)的能力，有望推動(dòng)磁懸浮制動(dòng)器、光熱太陽(yáng)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(yùn)輸系統(tǒng)等領(lǐng)域。