作者:Wanlin Guo 来源:《自然》 发布时间:2014-6-25 15:25:33
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科学家发现常压下全新动电现象

图1、在石墨烯表面拖动一含离子的液滴会在石墨烯中产生沿液滴运动方向的拽势(drawing potential)。上:在石墨烯表面拖动液滴。下:以2.25米每秒的速度在石墨烯上拖动一滴4.3微升的模拟海水(0.6 M NaCl)液滴在石墨烯中产生约1.5毫伏的开路电压。

图2、在石墨烯上书写就可以产生拽势,可以用于感知笔画(倪勇做图)。

各种动电现象(electrokinetic phenomena)自1807年以来不断被发现,并已经形成了系统的科学理论,在多个学科和工程技术领域得到了广泛应用。其中,流动势(streaming potential)是当液体在压力梯度的驱动下流过窄缝或细管时在液体两端形成电势差的动电现象,是沉淀势、离子和胶体振动势等动电势的基础。理论和实验都表明,没有压力梯度就没有流动势差。

现在,郭万林研究组突破性地发现了一种常压下的全新的动电现象——拽势(drawing potential)。这一成果2014年5月以“Generating electricity by moving a droplet of ionic liquid along graphene(沿石墨烯拖动离子液滴生电)”为题正式发表在纳米科技领域最具影响力的刊物——《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)第9卷第5期。他们实验发现在石墨烯表面拖动离子液滴会在石墨烯中产生沿液滴运动方向毫伏级的电压(如下图所示)。产生的电压和液滴运动的速度成正比,和液滴所含离子种类和浓度相关,且随着石墨烯层数的增加而显著降低。实验分析和第一性原理计算表明,在石墨烯和液滴界面处会形成一独特的赝电容。当液滴运动时,液滴前端的赝电容充电,尾端的赝电容放电,从而会导致石墨烯内部产生拖动势。研究表明,同时拖动多个液滴沿同一方向移动,所产生的拽势会是单个液滴产生的拽势乘以液滴个数,并且随液滴增大而增大,所以拽势能够通过多种方式提高。他们在论文中已经演示了利用石墨烯收集下落的液滴能量和传感书写方面能力。

目前,拖动液滴生电的效率已达1%,因此这已发现具有广阔的应用前景。

该研究组早先发现了气流吹过石墨烯产生的与气流马赫数平方成线性的流致电压【Applied Physics Letters 99, 073103 (2011);100, 183108 (2012)】。

该研究工作得到国家重大基础研究计划(973计划)和国家自然科学基金的支持。

论文出处:Jun Yin, Xuemei Li, Jin Yu, Zhuhua Zhang, Jianxin Zhou & Wanlin Guo, Generating electricity by moving a droplet of ionic liquid along graphene. Nature Nanotechnology 9(5),378-383(2014).

 
 
 
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