提到二沖程發(fā)動機,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)動機的原理與常規(guī)二沖程發(fā)動機完全相同,有望為下一代納米器件和納米機器人提供動力。相關論文發(fā)表在《納米快報》上。
雖然微米或納米發(fā)動機的設計靈感往往來自于傳統(tǒng)發(fā)動機,且早在19世紀二沖程和四沖程發(fā)動機就已經(jīng)開始廣泛應用,但在納米尺度上模擬內(nèi)燃機這還是第一次。
納米發(fā)動機可在納米尺度上產(chǎn)生機械能,是納米器件和納米機器人應用的關鍵所在。石墨烯是目前已知的強度最好的材料,其特殊的機械性能對納米發(fā)動機而言非常有用。這也是石墨烯在該領域的首次亮相。
物理學家組織網(wǎng)5月16日發(fā)表的一篇文章稱,常規(guī)的二沖程發(fā)動機通過上下活塞運動,產(chǎn)生高壓輸出機械能。在這種納米發(fā)動機中,那個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。當它們暴露在激光中時,這些離子鍵會打開,導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,正是這個壓力導致了“水泡”的形成。
當激光被關閉后,碳—氟離子鍵又會重新建立,壓力降低,水泡消失。整個過程中“水泡”的大小與激光的功率呈正相關關系。如此這般,快速開關激光,石墨烯表面的“水泡”就會像二沖程發(fā)動機中的活塞一樣反復上下運動。能實現(xiàn)這一點還有賴于石墨烯獨特的機械性能,特別是它超高的彈性和強度。
負責此項研究的新加坡國立大學石墨烯研究中心的李鐘學(音譯)說,這種發(fā)動機的結(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。他們的實驗證實,石墨烯發(fā)動機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)以及開關速度來提高發(fā)動機的性能,并為其找到更多的應用領域。李鐘學說:“通過與微機電系統(tǒng)(MEMS)納米機電系統(tǒng)(NEMS)技術的結(jié)合,我們的發(fā)動機產(chǎn)生的機械能將很容易傳送到其他設備上,未來它將有望為更多的納米器件和納米機器人提供動力。”