在國家自然科學基金委員會、科技部和中科院的支持下，中國科學院力學研究所“微納系統(tǒng)力學與物理力學課題組”在水流過碳納米管時，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展。研究成果發(fā)表在近期出版的《美國化學會志（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，隨著納電子機械（NEMS）系統(tǒng)的迅速發(fā)展，研發(fā)新的無線納米器件和納米系統(tǒng)已經(jīng)勢在必行，尤其是對于原位、實時和可植入的生物傳感、生物醫(yī)藥監(jiān)控和生物探測等領域具有特別重要的意義。目前，無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間很短。如果無線器件和可植入的生物醫(yī)藥器件可以實現(xiàn)自供電，將會使其擺脫應用的限制。國內(nèi)外的一些學者(Ghosh, et al., Science, 2003; Zhao, et al, Adv. Mat., 2008)使用碳納米管將其內(nèi)水流的水能轉化為電能，但是由于實驗條件的限制，水力能轉化為電能的機理以及電子層次的精細現(xiàn)象仍然是一個難題。

    力學研究所的博士生袁泉子和導師趙亞溥研究員，針對這一亟待解決的納米器件自供電問題進行了深入研究和模擬。他們使用了量子力學密度泛函理論（DFT）和分子動力學（MD）迭代計算的方法，對于水分子在碳納米管中的流動進行了模擬，發(fā)現(xiàn)當水分子流過碳納米管時，會在碳納米管兩端誘導出10 mV量級的電壓（圖1）。他們的工作預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，而普遍認為水偶極鏈在碳納米管內(nèi)翻轉的特征時間為幾個納秒，與實驗上可以測得輸出電壓相矛盾。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, 成為納米水力發(fā)電的關鍵。從而為實現(xiàn)世界上最小的、僅為幾個納米大小的水力發(fā)電機在機理認識上又往前邁進了一步。

    《美國化學會志》的審稿人高度評價了該工作，認為“該研究方向有著非常重要的基礎意義，在此基礎上，研發(fā)實用的納米能源收集器件將成為可能�！痹摴ぷ饕唤�(jīng)發(fā)表就得到了多個納米科技網(wǎng)站(www.nanovip.com 、http://arstechnica.com等)的關注和報道。