一种利用激光驱动磁悬浮石墨烯船长程运动的装置及方法

1.本发明属于光控固体运动技术领域，公开了一种利用激光驱动磁悬浮石墨烯船长程运动的装置及方法。


背景技术：

2.目前，利用光来操纵物体有很多优点，比如不可触摸，遥远和无污染。大多数方法都是在液体环境中进行的。最常用的方式是依赖于光本身的辐射压力和势能，如光镊等。但是，由于辐射压力和势能所产生的力太弱，只能操纵纳米尺度的物体。为了扩大操控物体的尺度，近年来出现的另一种方法是利用光与物体相互作用产生的能量来影响介质的性质并反过来推动物体，如光热泳效应，其中温度梯度由物体本身的光热效应和光电泳效应，其中电荷来自物体本身的光电效应。人们可以通过这些方法操作微米级的物体。然而，由于液体的固有特性，要操纵厘米级的较大物体和提高物体的速度就比较困难。因此，研究人员开始再次寻找在气体环境中操纵物体的方法。其历史可以追溯到克鲁克辐射计，它是一个简单粗糙的模型。近年来，研究人员实现了从壁上推下微珠，在基材上推动微球，推动了多层go片等。这些作品中的物体和运动的空间尺度仍然以微米为单位。因此，精确地利用光操纵厘米级的宏观固体仍然是一个挑战。因此，为了实现在气体环境中对厘米级固体实现精确的长程的运动操控，急需开发一种结构简单、成本低、设备制造难度低，并且能够实现对运动速度和距离进行控制的方法。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
4.(1)现有的对物体进行光操控的方法往往发生于液体环境中、作用环境单一此外这些方法只能操控微米级物体且操纵速度非常低。
5.(2)现有的在气体环境中利用光操控物体的方法，光对物体的驱动仅限于微米级物体与超短距离操控，无法实现厘米级物体长程操控。
6.解决以上问题及缺陷的难度为：1.常规的对物体进行光操控的方法往往作用环境单一，只能操控微米级物体且操纵速度非常低。
7.2.现有的在气体环境中利用光操控物体的方法，光对物体的驱动仅限于微米级物体与超短距离操控。
8.解决以上问题及缺陷的意义为：1.该光控物体装置结构非常简单、设备制造难度低、成本低廉；2.该装置操纵物体可达厘米级，且相对常规的方式，其操控距离非常远，可至100mm及以上。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用激光驱动磁悬浮石墨烯船长程运动的装置及方法。
10.本发明是这样实现的，一种利用激光驱动磁悬浮石墨烯船长程运动的装置，包括驱动光路、磁轨道和石墨烯船；
11.其中驱动光路，用于提供驱动光源与调节光源作用于石墨烯船位置，进而为石墨烯船的运动提供驱动力；
12.磁轨道用于稳定悬浮石墨烯小船，进而约束小船进行长程直线运动；
13.石墨烯船用于在激光作用下稳定地沿特定磁轨道运动。
14.进一步地，所述驱动光路包括激光器和反射镜，所述反射镜位于激光器的输出光路上，用于将激光器的激光出射到石墨烯船船帆上，所述激光器设置有功率调节模块，所述功率调节模块用于对激光器的功率大小进行调节，实现石墨烯船的运动速度可调。
15.进一步地，所述激光器的光源波长为420～632nm。
16.进一步地，所述功率调节模块的功率调节范围为0～1050mw。
17.进一步地，所述磁轨道包括钕铁硼永磁铁，所述钕铁硼永磁铁按照磁极相反依次排列，磁轨道由100
×5×
10mm的长条形钕铁硼磁铁提供磁场。
18.进一步地，所述石墨烯船船体尺寸为6
×
8mm，船帆尺寸为6
×
3mm，厚度均为50μm。
19.本发明还提供一种利用激光驱动磁悬浮石墨烯船长程运动的方法，包括以下步骤：
20.步骤一，激光首先通过激光器发射，激光平行入射到激光反射镜上，经过两个激光反射镜的调整后将光束水平入射到石墨烯船帆上；
21.步骤二，由长条形钕铁硼磁铁提供特定磁轨道，将石墨船轻轻放置在轨道上，在磁场的约束下，石墨烯船可稳定悬浮在磁轨道上；
22.步骤三，石墨船的运动是辐射力作用的结果，激光作用于船帆时，由于船帆两侧的温度差异产生的气体分子与船帆作用所失去动量差异，推动石墨烯船运动；
23.步骤四，通过调节激光功率大小，调节石墨烯船的运动速度，实现船运动的速度可调；通过调节激光功率大小以及激光作用时间，调节石墨烯船的运动速度和运动时间，实现船运动的距离可调。
24.进一步地，步骤二中所述石墨烯船的制备工艺，包括以下步骤：
25.s101，将石墨烯原粉分散在纯净水中，并用磁力搅拌器在65℃下进行两小时搅拌；
26.s102，将石墨烯水分散液转移到超声装置中，超声两小时后，取中间部分分散均匀的石墨烯水溶液；
27.s103，将聚四氟乙烯薄膜均匀覆盖在玻璃基板上，并将石墨烯水溶液均匀滴在上面，放入真空干燥箱中与80℃下烘干，由于聚四氟乙烯良好的疏水性，便可轻易剥离成完整大块石墨烯薄片；
28.s104，将石墨烯薄片裁剪与拼接，设计出特定结构的石墨烯船。
29.进一步地，步骤二中所述石墨烯船的质量为10-100mg。
30.进一步地，步骤四中所述石墨烯船运动距离是0-100mm。
31.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
32.1.本发明中的装置结构简单且易于操作，设备制造难度低；钕铁硼磁铁成本低廉，易于获取。石墨烯船制备方法简单，仅仅需要磁铁形成磁轨道，激光提供能量就可使操控石墨烯船进行长程运动。
33.2.本应用所能操控物体并不限于石墨烯船，只要是具有良吸光度与抗磁性的物体均可，适用范围广，应用潜力巨大。
34.3.本发明所使用的光源范围广泛，紫外光、可见光、红光和近红外光皆可，且功率在一个较低的水平，所需能量要求较低。
35.4.本发明可实现光对厘米级大尺度物体的操控，可大范围的适用于不同情景，应用前景广阔。
36.5.本发明液滴输运的距离非常长，轻松达到100mm及以上。
37.6.本发明中操控物体的材料、输运距离、速度都可调节，该装置的灵活性非常高，可操纵性好。
附图说明
38.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1是本发明实施例提供的真空下烘干石墨烯水溶液得到石墨烯薄片制备石墨烯船的工艺流程图。
40.图2是本发明实施例提供的利用激光驱动磁悬浮石墨烯船长程运动的装置的主视图。
41.图3是本发明实施例提供的利用激光驱动磁悬浮石墨烯船长程运动的装置的俯视图。
42.图4是本发明实施例提供的磁轨道为100mm的运动过程效果图。
43.图5是本发明实施例提供的不同激光功率下石墨烯船运动平均速度关系图。
44.图6是本发明实施例提供的激光功率为195mw时，石墨烯船运动的瞬时速度图。
45.图中：1、激光器；2、反射镜；3、磁轨道；4、石墨烯船。
具体实施方式
46.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
47.下面结合附图对本发明作详细的描述。
48.如图1所示，为真空下烘干石墨烯水溶液得到石墨烯薄片制备石墨烯船的工艺流程图，包括以下步骤：
49.s101，将石墨烯原粉分散在纯净水中，并用磁力搅拌器在65℃下进行两小时搅拌；
50.s102，将石墨烯水分散液转移到超声装置中，超声两小时后，取中间部分分散均匀的石墨烯水溶液；
51.s103，将聚四氟乙烯薄膜均匀覆盖在玻璃基板上，并将石墨烯水溶液均匀滴在上面，放入真空干燥箱中与80℃下烘干，由于聚四氟乙烯良好的疏水性，便可轻易剥离成完整大块石墨烯薄片；
52.s104，将石墨烯薄片裁剪与拼接，设计出特定结构的石墨烯船。
53.如图2、3所示，本发明实施例提供的一种利用激光驱动磁悬浮石墨烯船长程运动
的装置包括驱动光路、磁轨道和石墨烯船。
54.液滴输运光路：由532nm连续激光器1提供光源，激光平行入射到反射镜2上，反射镜将光束水平入射到船帆上，从而驱动石墨烯船4运动。
55.磁轨道3由100
×5×
10mm的长条形钕铁硼磁铁提供磁场，将石墨烯船轻轻放置在磁轨道3上，石墨烯船4船体尺寸为6
×
8mm，船帆尺寸为6
×
3mm，厚度均为50μm。
56.利用激光驱动磁悬浮石墨烯船长程运动的方法，包括以下步骤：
57.步骤一，激光首先通过激光器发射，激光平行入射到激光反射镜上，经过两个激光反射镜的调整后将光束水平入射到石墨烯船帆上；
58.步骤二，由长条形钕铁硼磁铁提供特定磁轨道，将石墨船轻轻放置在轨道上，在磁场的约束下，石墨烯船可稳定悬浮在磁轨道上；
59.步骤三，石墨船的运动是辐射力作用的结果，激光作用于船帆时，由于船帆两侧的温度差异产生的气体分子与船帆作用所失去动量差异，推动石墨烯船运动；
60.步骤四，通过调节激光功率大小，调节石墨烯船的运动速度，实现船运动的速度可调；通过调节激光功率大小以及激光作用时间，调节石墨烯船的运动速度和运动时间，实现船运动的距离可调。
61.激光具有极好的单色性和准直性，可以被聚焦到微米级的区域，达到非常高的能量密度，利用激光来驱动石墨烯船运动具有无损，无接触，在时间和空间中容易精确控制。
62.如图4所示，通过调节激光功率大小，调节推动力大小，实现船运动的速度可调；
63.如图5、6所示，通过调节激光功率大小以及激光作用时间，调节石墨烯船的运动速度和运动时间，实现船运动的距离可调。
64.本发明实施例中使用的长条形钕铁硼磁铁可换用为长度更长的长条形磁铁，以提供更长的石墨烯船运动磁轨道。
65.本发明实施例中使用的长条形钕铁硼磁铁可换用为长条形电磁铁，以提供可调控长度和磁场强度的磁轨道。
66.本发明具有结构简单、容易精确控制、无接触、旋转方向与速度可控、长程运动距离与速度可控、运动轨迹可控等特点，仅需激光提供光源，钕铁硼磁铁形成特定轨道与一定真空度等条件，便可推动石墨烯船长程运动，轻松达到100mm及以上，显著优于现有技术装置运动的空间尺度仍然以微米为单位，因此本发明的装置可广泛应用于快速运输、光能转换等领域。
67.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
68.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。