在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部和中科院的支持下，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所“微納系統(tǒng)力學(xué)與物理力學(xué)課題組”在水流過碳納米管時(shí)，載流子與水偶極鏈相互作用從而產(chǎn)生電能的模擬方面取得新進(jìn)展。研究成果發(fā)表在近期出版的《美國(guó)化學(xué)會(huì)志（J. Am. Chem. Soc.）》上（Yuan QZ and Zhao YP*. Hydroelectric voltage generation based on water-filled single-walled carbon nanotubes. Journal of the American Chemical Society, 131 (18): 6374-6376 (2009)），該期刊的SCI影響因子為7.885。
近年來(lái)，隨著納電子機(jī)械（NEMS）系統(tǒng)的迅速發(fā)展，研發(fā)新的無(wú)線納米器件和納米系統(tǒng)已經(jīng)勢(shì)在必行，尤其是對(duì)于原位、實(shí)時(shí)和可植入的生物傳感、生物醫(yī)藥監(jiān)控和生物探測(cè)等領(lǐng)域具有特別重要的意義。目前，無(wú)線器件和可植入的生物醫(yī)藥器件通常使用電池供電，由于受到尺寸的限制，電池供電的功率很小和時(shí)間很短。如果無(wú)線器件和可植入的生物醫(yī)藥器件可以實(shí)現(xiàn)自供電，將會(huì)使其擺脫應(yīng)用的限制。國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者(Ghosh, et al., Science, 2003; Zhao, et al, Adv. Mat., 2008)使用碳納米管將其內(nèi)水流的水能轉(zhuǎn)化為電能，但是由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，水力能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)理以及電子層次的精細(xì)現(xiàn)象仍然是一個(gè)難題。
力學(xué)研究所的博士生袁泉子和導(dǎo)師趙亞溥研究員，針對(duì)這一亟待解決的納米器件自供電問題進(jìn)行了深入研究和模擬。他們使用了量子力學(xué)密度泛函理論（DFT）和分子動(dòng)力學(xué)（MD）迭代計(jì)算的方法，對(duì)于水分子在碳納米管中的流動(dòng)進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水分子流過碳納米管時(shí)，會(huì)在碳納米管兩端誘導(dǎo)出10 mV量級(jí)的電壓（圖1）。他們的工作預(yù)言并解釋了該裝置可以利用碳納米管中載流子與水偶極鏈相互作用（圖2），收集環(huán)境中的水能將其轉(zhuǎn)換為可用的電能。在他們之前的模擬工作，未考慮到碳管中載流子和水偶極鏈的相互作用，而普遍認(rèn)為水偶極鏈在碳納米管內(nèi)翻轉(zhuǎn)的特征時(shí)間為幾個(gè)納秒，與實(shí)驗(yàn)上可以測(cè)得輸出電壓相矛盾。而趙亞溥課題組的模擬發(fā)現(xiàn)，正是該相互作用使得水偶極鏈很少發(fā)生翻轉(zhuǎn), 成為納米水力發(fā)電的關(guān)鍵。從而為實(shí)現(xiàn)世界上最小的、僅為幾個(gè)納米大小的水力發(fā)電機(jī)在機(jī)理認(rèn)識(shí)上又往前邁進(jìn)了一步。
《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》的審稿人高度評(píng)價(jià)了該工作，認(rèn)為“該研究方向有著非常重要的基礎(chǔ)意義，在此基礎(chǔ)上，研發(fā)實(shí)用的納米能源收集器件將成為可能�！痹摴ぷ饕唤�(jīng)發(fā)表就得到了多個(gè)納米科技網(wǎng)站(www.nanovip.com 、http://arstechnica.com等)的關(guān)注和報(bào)道。
近年來(lái)，隨著納電子機(jī)械（NEMS）系統(tǒng)的迅速發(fā)展，研發(fā)新的無(wú)線納米器件和納米系統(tǒng)已經(jīng)勢(shì)在必行，尤其是對(duì)于原位、實(shí)時(shí)和可植入的生物傳感、生物醫(yī)藥監(jiān)控和生物探測(cè)等領(lǐng)域具有特別重要的意義。目前，無(wú)線器件和可植入的生物醫(yī)藥器件通常使用電池供電，由于受到尺寸的限制，電池供電的功率很小和時(shí)間很短。如果無(wú)線器件和可植入的生物醫(yī)藥器件可以實(shí)現(xiàn)自供電，將會(huì)使其擺脫應(yīng)用的限制。國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者(Ghosh, et al., Science, 2003; Zhao, et al, Adv. Mat., 2008)使用碳納米管將其內(nèi)水流的水能轉(zhuǎn)化為電能，但是由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，水力能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)理以及電子層次的精細(xì)現(xiàn)象仍然是一個(gè)難題。
力學(xué)研究所的博士生袁泉子和導(dǎo)師趙亞溥研究員，針對(duì)這一亟待解決的納米器件自供電問題進(jìn)行了深入研究和模擬。他們使用了量子力學(xué)密度泛函理論（DFT）和分子動(dòng)力學(xué)（MD）迭代計(jì)算的方法，對(duì)于水分子在碳納米管中的流動(dòng)進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水分子流過碳納米管時(shí)，會(huì)在碳納米管兩端誘導(dǎo)出10 mV量級(jí)的電壓（圖1）。他們的工作預(yù)言并解釋了該裝置可以利用碳納米管中載流子與水偶極鏈相互作用（圖2），收集環(huán)境中的水能將其轉(zhuǎn)換為可用的電能。在他們之前的模擬工作，未考慮到碳管中載流子和水偶極鏈的相互作用，而普遍認(rèn)為水偶極鏈在碳納米管內(nèi)翻轉(zhuǎn)的特征時(shí)間為幾個(gè)納秒，與實(shí)驗(yàn)上可以測(cè)得輸出電壓相矛盾。而趙亞溥課題組的模擬發(fā)現(xiàn)，正是該相互作用使得水偶極鏈很少發(fā)生翻轉(zhuǎn), 成為納米水力發(fā)電的關(guān)鍵。從而為實(shí)現(xiàn)世界上最小的、僅為幾個(gè)納米大小的水力發(fā)電機(jī)在機(jī)理認(rèn)識(shí)上又往前邁進(jìn)了一步。
《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》的審稿人高度評(píng)價(jià)了該工作，認(rèn)為“該研究方向有著非常重要的基礎(chǔ)意義，在此基礎(chǔ)上，研發(fā)實(shí)用的納米能源收集器件將成為可能�！痹摴ぷ饕唤�(jīng)發(fā)表就得到了多個(gè)納米科技網(wǎng)站(www.nanovip.com 、http://arstechnica.com等)的關(guān)注和報(bào)道。
