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提到二沖程發(fā)動機(jī)，不少人首先會想到轟鳴的越野摩托車，而最近新加坡的科學(xué)家用比頭發(fā)絲還要薄6萬分之一的石墨烯，造出了它的納米版。這種納米發(fā)動機(jī)的原理與常規(guī)二沖程發(fā)動機(jī)完全相同，有望為下一代納米器件和納米機(jī)器人提供動力。相關(guān)論文發(fā)表在《納米快報(bào)》上。
雖然微米或納米發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)靈感往往來自于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)，且早在19世紀(jì)二沖程和四沖程發(fā)動機(jī)就已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用，但在納米尺度上模擬內(nèi)燃機(jī)這還是第一次。
納米發(fā)動機(jī)可在納米尺度上產(chǎn)生機(jī)械能，是納米器件和納米機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵所在。石墨烯是目前已知的強(qiáng)度最好的材料，其特殊的機(jī)械性能對納米發(fā)動機(jī)而言非常有用。這也是石墨烯在該領(lǐng)域的首次亮相。
物理學(xué)家組織網(wǎng)5月16日發(fā)表的一篇文章稱，常規(guī)的二沖程發(fā)動機(jī)通過上下活塞運(yùn)動，產(chǎn)生高壓輸出機(jī)械能。在這種納米發(fā)動機(jī)中，那個(gè)活塞就是單層原子厚的石墨烯，而激光則起到了火花塞的作用。
為了使納米發(fā)動機(jī)工作，研究人員在石墨烯中加入了氟化氯分子。這種分子和石墨烯中的碳原子通過碳—氟離子鍵結(jié)合在一起。當(dāng)它們暴露在激光中時(shí)，這些離子鍵會打開，導(dǎo)致石墨烯和氟化氯分子發(fā)生膨脹，石墨烯的表面會因此形成一個(gè)水泡狀的突起。其中的壓力大約是1百萬帕，與汽車輪胎平均的壓力不相上下，正是這個(gè)壓力導(dǎo)致了“水泡”的形成。
當(dāng)激光被關(guān)閉后，碳—氟離子鍵又會重新建立，壓力降低，水泡消失。整個(gè)過程中“水泡”的大小與激光的功率呈正相關(guān)關(guān)系。如此這般，快速開關(guān)激光，石墨烯表面的“水泡”就會像二沖程發(fā)動機(jī)中的活塞一樣反復(fù)上下運(yùn)動。能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)還有賴于石墨烯獨(dú)特的機(jī)械性能，特別是它超高的彈性和強(qiáng)度。
負(fù)責(zé)此項(xiàng)研究的新加坡國立大學(xué)石墨烯研究中心的李鐘學(xué)（音譯）說，這種發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡單，不需要特定的工作條件，也不會排放廢氣，適用面極為廣泛，能滿足納米器件的各種需求。他們的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，石墨烯發(fā)動機(jī)顯示出了出色的可靠性，經(jīng)過1萬次循環(huán)后，仍然沒有任何功能出現(xiàn)退化。此外，這種發(fā)動機(jī)也極為節(jié)能。
未來，研究人員希望能通過改變激光參數(shù)以及開關(guān)速度來提高發(fā)動機(jī)的性能，并為其找到更多的應(yīng)用領(lǐng)域。李鐘學(xué)說：“通過與微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）技術(shù)的結(jié)合，我們的發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能將很容易傳送到其他設(shè)備上，未來它將有望為更多的納米器件和納米機(jī)器人提供動力。”
