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提到二沖程發(fā)動(dòng)機，不少人首先會(huì )想到轟鳴的越野摩托車(chē)，而最近新加坡的科學(xué)家用比頭發(fā)絲還要薄6萬(wàn)分之一的石墨烯，造出了它的納米版。這種納米發(fā)動(dòng)機的原理與常規二沖程發(fā)動(dòng)機完全相同，有望為下一代納米器件和納米機器人提供動(dòng)力。相關(guān)論文發(fā)表在《納米快報》上。
雖然微米或納米發(fā)動(dòng)機的設計靈感往往來(lái)自于傳統發(fā)動(dòng)機，且早在19世紀二沖程和四沖程發(fā)動(dòng)機就已經(jīng)開(kāi)始廣泛應用，但在納米尺度上模擬內燃機這還是第一次。
納米發(fā)動(dòng)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(guān)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(dòng)機而言非常有用。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(chēng)，常規的二沖程發(fā)動(dòng)機通過(guò)上下活塞運動(dòng)，產(chǎn)生高壓輸出機械能。在這種納米發(fā)動(dòng)機中，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(dòng)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(guò)碳—氟離子鍵結合在一起。當它們暴露在激光中時(shí)，這些離子鍵會(huì )打開(kāi)，導致石墨烯和氟化氯分子發(fā)生膨脹，石墨烯的表面會(huì )因此形成一個(gè)水泡狀的突起。其中的壓力大約是1百萬(wàn)帕，與汽車(chē)輪胎平均的壓力不相上下，正是這個(gè)壓力導致了“水泡”的形成。
當激光被關(guān)閉后，碳—氟離子鍵又會(huì )重新建立，壓力降低，水泡消失。整個(gè)過(guò)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(kāi)關(guān)激光，石墨烯表面的“水泡”就會(huì )像二沖程發(fā)動(dòng)機中的活塞一樣反復上下運動(dòng)。能實(shí)現這一點(diǎn)還有賴(lài)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(xué)石墨烯研究中心的李鐘學(xué)（音譯）說(shuō)，這種發(fā)動(dòng)機的結構非常簡(jiǎn)單，不需要特定的工作條件，也不會(huì )排放廢氣，適用面極為廣泛，能滿(mǎn)足納米器件的各種需求。他們的實(shí)驗證實(shí)，石墨烯發(fā)動(dòng)機顯示出了出色的可靠性，經(jīng)過(guò)1萬(wàn)次循環(huán)后，仍然沒(méi)有任何功能出現退化。此外，這種發(fā)動(dòng)機也極為節能。
未來(lái)，研究人員希望能通過(guò)改變激光參數以及開(kāi)關(guān)速度來(lái)提高發(fā)動(dòng)機的性能，并為其找到更多的應用領(lǐng)域。李鐘學(xué)說(shuō)：“通過(guò)與微機電系統（MEMS）納米機電系統（NEMS）技術(shù)的結合，我們的發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生的機械能將很容易傳送到其他設備上，未來(lái)它將有望為更多的納米器件和納米機器人提供動(dòng)力。”
