在国家自然科学基金委员会、科技部和中科院的支持下，中国科学院力学研究所“微纳系统力学与物理力学课题组”在水流过碳纳米管时，载流子与水偶极链相互作用从而产生电能的模拟方面取得新进展。研究成果发表在近期出版的《美国化学会志》（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)），该期刊的SCI影响因子为7.885。

 

近年来，随着纳电子机械（NEMS）系统的迅速发展，研发新的无线纳米器件和纳米系统已经势在必行，尤其是对于原位、实时和可植入的生物传感、生物医药监控和生物探测等领域具有特别重要的意义。目前，无线器件和可植入的生物医药器件通常使用电池供电，由于受到尺寸的限制，电池供电的功率很小和时间很短。如果无线器件和可植入的生物医药器件可以实现自供电，将会使其摆脱应用的限制。国内外的一些学者(Ghosh, et al., Science, 2003; Zhao, et al, Adv. Mat., 2008)使用碳纳米管将其内水流的水能转化为电能，但是由于实验条件的限制，水力能转化为电能的机理以及电子层次的精细现象仍然是一个难题。

 

力学研究所的博士生袁泉子和导师赵亚溥研究员，针对这一亟待解决的纳米器件自供电问题进行了深入研究和模拟。他们使用了量子力学密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）迭代计算的方法，对于水分子在碳纳米管中的流动进行了模拟，发现当水分子流过碳纳米管时，会在碳纳米管两端诱导出10 mV量级的电压（图1）。他们的工作预言并解释了该装置可以利用碳纳米管中载流子与水偶极链相互作用（图2），收集环境中的水能将其转换为可用的电能。在他们之前的模拟工作，未考虑到碳管中载流子和水偶极链的相互作用，而普遍认为水偶极链在碳纳米管内翻转的特征时间为几个纳秒，与实验上可以测得输出电压相矛盾。而赵亚溥课题组的模拟发现，正是该相互作用使得水偶极链很少发生翻转, 成为纳米水力发电的关键。从而为实现世界上最小的、仅为几个纳米大小的水力发电机在机理认识上又往前迈进了一步。

 

《美国化学会志》的审稿人高度评价了该工作，认为“该研究方向有着非常重要的基础意义，在此基础上，研发实用的纳米能源收集器件将成为可能。”该工作一经发表就得到了多个纳米科技网站(www.nanovip.com 、http://arstechnica.com等)的关注和报道。（来源：中科院力学研究所）