石墨烯-金属转移结构为高效微推进系统提供了新的可能性

(Nanowerk 聚焦）1972 年，Arthur Kantrowitz教授提出了激光推进的概念，标志着太空探索技术新时代的开始。从那时起，激光微推进（LMP）就成为推进微型航天器（如微型推进器、纳米卫星和小型无人飞行器）的最有前途的技术之一。该技术的工作原理是将激光聚焦在推进剂表面，产生高能量密度，使少量材料喷射出来，从而产生推力。然而，LMP 系统的成功在很大程度上取决于推进剂材料，它必须兼顾效率、稳定性和特定的性能指标，如比冲和单位质量推力。

传统的推进剂，包括金属和非金属纳米颗粒，由于具有很强的光吸收能力和较大的表面积，已经显示出了潜力。然而，它们也存在一些明显的缺点，如热导率高、不稳定、易氧化和易聚集。与脉冲激光器相互作用时产生的等离子体屏蔽效应加剧了这些问题，阻碍了脉冲激光微推进（PLMP）系统的整体性能。

此外，金属纳米粒子的高密度也给满足 PLMP 系统的性能要求带来了挑战，因为在相同质量的推进剂下，金属纳米粒子的体积会变小，这对于空间和重量受到严格限制的应用来说是不可取的。

为了应对这些挑战，我们开发了一种新方法，利用金属有机框架（MOFs）和石墨烯-金属转移结构（GMMs）的独特性能。MOFs 由与有机配体配位的金属阳离子或团簇组成，是创建混合结构的理想前体，可同时兼具碳和金属成分的优点。通过利用超快激光与 MOFs 的相互作用，研究人员能够在环境空气中合成具有精确控制的金属纳米粒子尺寸、石墨烯层和粒子间隙的 GMM。这些 GMM 表现出卓越的性能，包括高光吸收效率、增强的能量传递和更高的材料稳定性。

相关研究成果已发表在《Advanced Materials》（”Optical-Propulsion Metastructures”）上。

A) 脉冲激光微推进（PLMP）机理示意图和基于 MOFs 衍生石墨烯-金属转移结构的 PLMP 的可能应用。B) 石墨烯-金属转移结构的制备示意图。(图片：改编自 DOI:10.1002/adma.202406384，CC BY）

这项研究的关键创新之一是使用石墨烯，因为石墨烯具有优异的光学和电子特性。在 GMM 中，石墨烯可作为金属纳米粒子的高效载体，通过局部等离子体共振（LPR）促进强烈的光物质相互作用。这种相互作用大大增强了激光能量的吸收和转换，这对提高 PLMP 系统的性能至关重要。在石墨烯基质中精确控制金属纳米粒子的尺寸和分布还能防止聚集并提高电子转移效率，从而进一步提高推进剂的整体效能。

研究的实验结果表明，与传统推进剂相比，由各种 MOF 前体（包括 HKUST-1、Cu-MOF-2、Cu-MOF-74 和 CPL-1）衍生的 GMM 表现出更优越的 PLMP 性能。例如，GMM-（HKUST-1）的比冲为 1072.94 秒，烧蚀效率为 51.22%，单位质量的脉冲推力为 105.15 μN μg-1。这些指标都超过了传统推进剂，凸显了 GMM 在革新微推进系统方面的潜力。此外，GMM 的密度明显低于传统推进剂，因此在相同质量的情况下可以使用更大体积的推进剂，这对于空间受限的应用来说是一个至关重要的优势。

研究还证明了 GMM 在各种环境条件下的稳定性，包括暴露在环境空气和湿度中。这种稳定性归功于石墨烯层中封装的金属纳米颗粒，它可以防止氧化并长期保持材料的完整性。GMM 的坚固性使其成为长期太空任务的理想候选材料，因为在太空任务中，材料会暴露在恶劣和多变的条件下。

此外，研究还通过一系列详细的实验探索了 GMM 对 PLMP 性能的影响。这些实验包括使用扭摆装置测量关键性能参数，如比冲力、冲力耦合系数、单位质量推力和效率。 结果证实，GMM 不仅能提高推进剂的光吸收和能量转换效率，还能增强推进系统的整体稳定性和耐用性。

通过与其他材料（如通过物理混合制备的 Cu@Graphene 混合体）的比较，进一步凸显了 GMMs 的优越性。研究发现，与 Cu@Graphene 混合物较低的吸收率相比，GMMs 的光吸收率明显更高，GMM-（HKUST-1）的吸收率高达 99%。这种性能差异主要是由于 GMMs 中金属纳米颗粒在石墨烯基质中的均匀分布，这与物理混合材料中的聚集和不均匀分布形成了鲜明对比。

研究人员还探索了 GMMs 中金属纳米粒子与石墨烯相互作用产生的局部表面等离子体共振（LPR）效应。数值模拟结果表明，GMMs 可以诱发强大的局部电场增强，从而放大材料的光吸收能力。这种增强对于最大限度地将激光能量沉积到推进剂上，从而提高 PLMP 系统产生的推力至关重要。

研究还探讨了改变石墨烯层厚度和纳米粒子间距的影响，发现这些因素在优化 LPR 效果以及推进系统整体性能方面发挥着至关重要的作用。

除了在太空推进方面的应用，GMMs 在其他领域也有潜在用途，因为在这些领域，高效的能量转换和材料稳定性是最重要的。利用 MOF 前体和激光技术合成 GMMs 既简便又可扩展，这使它们在微推进以外的广泛应用中具有吸引力，包括能量存储、光子学和催化。
利用 MOFs 衍生的石墨烯-金属转移结构进行光推进转移结构的研究标志着微推进技术的发展迈出了关键一步。将这些先进材料集成到脉冲激光微推进系统中，不仅能提高推进剂的效率和稳定性，还能引入以前无法实现的精确度和控制水平。通过利用石墨烯和金属纳米粒子的独特性能，研究人员为轻质、高性能推进系统开辟了新的可能性，这对未来的微型航天器和纳米卫星至关重要。

此外，这些材料在各种环境条件下的可扩展性和坚固性使它们成为长期太空任务和其他高要求应用的可行候选材料。这项工作具有广泛的影响，不仅可能改变太空探索，还可能改变能源转换、光子学和材料科学等领域。对激光能量和推进剂材料之间的相互作用进行微调的能力可能会带来推进技术的新突破，为更高效、更具成本效益和用途更广的系统铺平道路。这项研究证明了创新材料设计在克服长期挑战和推动先进技术应用方面的潜力。