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郭万林院士新发现：把石墨烯放在手机屏上，滴水一滚，就能生电！
点击量：2484发布时间：2018-05-31
中国科学院院士、南京航空航天大学教授郭万林在他的《水伏效应和二维材料》报告中，披露碳材料研究的最新发现：在大气环境中，水从廉价的碳黑薄膜表面自然蒸发，会直接引起碳黑薄膜中持续稳定的伏级的电势；几平方厘米大的碳黑微米薄膜上的水，在室温环境下的自然蒸发，可以直接驱动液晶显示器等商用电子器件！
近日，在首届丝绸之路二维材料科学与技术国际会议学术报告会上，中国科学院院士、南京航空航天大学（以下简称“南航”）教授郭万林在他的《水伏效应和二维材料》报告中，披露碳材料研究的最新发现：在大气环境中，水从廉价的碳黑薄膜表面自然蒸发，会直接引起碳黑薄膜中持续稳定的伏级的电势；几平方厘米大的碳黑微米薄膜上的水，在室温环境下的自然蒸发，可以直接驱动液晶显示器等商用电子器件！
郭万林院士现任南航纳米科学研究所所长，纳智能材料器件教育部重点实验室主任，机械结构力学及控制国家重点实验室副主任。
在纳米结构的碳材料表面，水蒸发能产生可持续电压
郭院士告诉记者：“你把石墨烯放在手机的屏幕上，水滴在上面一滚，就能生电！水滴滚得越快，发的电就越大，它（石墨烯）能够感知水滚动的速度。你拿个毛笔在上面写字，它知道横撇竖捺。这还不惊奇，你给玻璃上放一层碳材料，把手机的一头插在水里，水就慢慢地渗上来了，渗上来后它会蒸发，也能发电。在水蒸发的过程中，水蒸气吸收了周围环境中的热能。”
研究发现，在纳米碳材料表面，水的自然蒸发能够产生电能。借助廉价的碳黑片层材料，利用水蒸发在常温条件下可以产生1伏特的可持续电压。“我们实验发现，2平方厘米这么一个微米级的薄膜上，会发1伏的电。只要水不干蒸发产生着，就能一直持续着发电。我们可以把这个电进行叠加，发几伏、10伏，都没有问题。”郭万林说。
据了解，与华中科技大学周军教授课题组合作的这一研究成果，已发表在国际顶级刊物《自然·纳米技术》上，已获得发明专利。
他们在石英片上制备厘米尺寸的炭黑膜，进行亲水处理后，半浸入盛水烧杯中，常温常压条件下水自然蒸发，炭黑膜的两端就产生约1V的电压并能长时间地保持。研究中，将4个水蒸发发电装置串联起来，竟点亮了液晶显示屏！
实验表明，在各种同样处理过的碳黑材料和碳纳米管薄膜中，都存在这种水蒸发生电现象，在乙醇碳黑薄膜中，蒸发引起的电压高达2伏。他们将4片碳黑薄膜器件串联产生近5伏的电压，并联产生近0.4微安的电流，能驱动商用液晶显示器器件，给电容器充电。
据介绍，该团队还设计制备了一组多电极碳黑器件，揭示了蒸发以及蒸发引起的水在碳黑薄膜中的流动是导致电压的根源。系统的原理计算表明，含功能团碳黑石墨烯片更亲水，并因水的吸附、离开产生显著的电子密度变化，敏感程度是完美石墨烯片层的上千倍。
据介绍，目前发电的电流太小，“如果把电流突破了，让电流大起来，就能给手机、电脑充电，投影屏幕，等等。可以畅想，到那时，我们来开会不用带矿泉水了，来时在外面的湖里舀杯水，再放这么一个片子，让它蒸发产生电，蒸发的蒸馏水我们可以喝，比这个矿泉水还要干净。再有，蒸发把热带走了，这里就凉快了，不用开空调了......”
郭万林说，所用的碳黑材料价格低廉，在实际应用中有独特的优势。随着工艺的改善和低耗电器件系统技术的发展，尤其是面对全球变暖、纯净水的缺乏，这种依靠纯自然蒸发过程生电的发现，具有更显著的现实意义。
“我们周围充满着能量，用蒸发发电不仅有望解决地球变暖的问题，还可以为污水处理提供一种新路径。”他说，由于碳黑薄膜的轻薄柔软，对有水蒸发的外星探索也有潜在意义。
人们期盼着石墨烯的颠覆性应用
郭万林长期从事新型功能材料与器件、飞机结构抗疲劳断裂设计方面的理论难题和关键技术的研究，建立了飞机结构三维疲劳断裂理论、攻克了飞机结构三维损伤容限关键技术，成果被系统地用于飞机型号研制，解决了型号研制急需。他所建立的三维弹塑性断裂理论被国际学术界广泛承认、大量大篇幅引用评价，并冠以“郭因子”“郭解”等。这一技术创新，也使我国三维损伤容限分析达到国际领先水平。
2000年到南航后，郭万林开创了纳尺度物理力学和纳智能材料器件研究新领域。研究成果获2012年国家自然科学二等奖和2011年教育部自然科学一等奖（均为第一完成人）。1999年受聘教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，2005年团队入选教育部“长江学者创新团队”。
采访中，郭万林院士告诉记者，“能源是不生不灭的，它只能转化，只能把周围的能源变成有用的能源，把存在那里的能源消耗掉，或者把周围没用的能源直接进行转化。”
我们通常所说的二维材料，是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动的平面的材料，不同于一般的纳米材料、三维材料、一维材料。
他说，“石墨烯是一种特别的纳米材料，非常小，你看不见也摸不着。薄的纳米尺度叫纳米薄膜，细的纳米尺度，如头发丝，你能看见，但看不见百万分之一的头发丝。还有，一个纳米的球，没有一个方向你能看得见，微米时代没有一个维度（零维度）。那么，一个丝如果有一个维度，还在微米的尺度甚至是宏观的尺度，就叫‘一维材料’。石墨烯薄到纳米尺度，我叫“纳米薄膜”，再薄就薄到了极限——一个原子层。”
他介绍，2004年石墨烯被发现有特异性质，电子在里面跑的速度比硅跑的速度要高千倍、万倍，因此，这么多年，全世界一直投入很大的力量在研究它，“全世界投入研究力量最充分的材料，莫过于石墨烯！许多科学家都在探索和研究：它有什么颠覆性的应用？能不能带来一个比芯片还好的应用？国家领导人和科学界都在期盼着它的颠覆性应用。”
郭万林院士介绍，从上世纪初量子力学酝酿，到上世纪中期硅材料、半导体的兴起，到今天的芯片，已经到了最后的高音阶段。硅的时代仅仅是一个开始。最初，4平方毫米见方的芯片上，做六七个器件，现在可做的数量每18个月翻一番，每两年差不多就是一代。硅材料发展到现在已经成年了，但硅的时代以后、下一代是什么？
“碳材料是硅材料之后科学家探索最多、研究最多、最深透的一种材料，但是不是说‘二维科技可以颠覆我们的生活？’我们希望如此，但是我们现在大量的二维材料的应用，还都是把硅和过去普通材料干过的事再干一下，看能不能比它们干得好，到现在为止，好像还很难取代。”他认为，它（碳）应当找它的时代，就像硅没有代替钢铁一样，“也就是说，炭、二维材料、新的材料，应当发展它下一代的用途，而不是再去干硅的活儿。这样的话，二维材料的时代才真正地到来了。”