Nature子刊：超强激光照射石墨烯实现高能离子加速，可用于癌症治疗、核聚变和高能物理研究

据悉，激光驱动离子加速已经被用于开发一种紧凑而高效的等离子体加速器，该加速器可应用于癌症治疗、核聚变和高能物理。

近日，日本大阪大学领导的研究团队在日本量子科学技术研究开发机构用超强 J-KAREN激光照射世界上最薄、最强的石墨烯靶材，从而实现了直接高能离子加速，开启了激光驱动离子加速的新机制。研究结果发表在《自然》子刊《科学报告》杂志上。

(a) 实验示意图。通过用超强的J-KAREN激光照射大面积的悬浮石墨烯目标（LSG），产生高能离子。(b）和（c）分别显示了石墨烯的拉曼光谱和显微镜图像。(d)和(e)分别显示了使用固态路径跟踪器和汤姆逊抛物线光谱仪（TPS）的堆栈检测器的示意图。(g)和(f)分别显示了TPS和堆栈的典型数据。

　　众所周知，在激光离子加速理论中，更高的离子能量需要更薄的靶材。然而，由于强激光的噪声分量在激光脉冲主峰之前破坏了目标，因此很难直接加速极薄靶区的离子。为了实现强激光对离子的高效加速，必须使用等离子反射镜来去除噪声成分。

　因此，研究人员开发了大面积悬浮石墨烯（LSG）作为激光离子加速的目标。石墨烯被称为世界上最薄、最坚固的2D材料，适用于激光驱动的离子源。

　　“原子薄的石墨烯是透明的，具有高导电性和导热性，重量轻，同时也是最坚固的材料。”该研究的作者翁伟彦（音译）解释说，“迄今为止，石墨烯已经得到了广泛的应用，包括在交通、医药、电子和能源等领域。我们展示了石墨烯在激光离子加速领域的另一个颠覆性应用，其中石墨烯的独特性发挥着不可或缺的作用。

　LSG靶的直接照射产生MeV质子和碳，从亚相对论到相对论激光强度，从低对比度到高对比度，不需要等离子反射镜，这表明了石墨烯的耐久性。

　　研究人员表示，这项研究的结果适用于开发紧凑高效的激光驱动离子加速器，用于癌症治疗、激光核聚变、高能物理和实验室天体物理。高能离子在没有等离子反射镜的情况下直接加速，显示了LSG的稳健性。研究人员将使用原子薄的LSG作为目标支架来加速其他无法自行承受的材料，他们还展示了非相对论强度下的高能离子加速。此外，即使在极薄的靶区没有等离子反射镜，也可以实现高能离子加速，这开启了激光驱动离子加速的新机制。

　　该研究论文题为"Robustness of large-area suspended graphene under interaction with intense laser"，已发表在Scientific Reports期刊上。

参考文献：

Kuramitsu, Y., Minami, T., Hihara, T. et al. Robustness of large-area suspended graphene under interaction with intense laser. Sci Rep 12, 2346 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-06055-4

信息来源：科技日报

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。