碳管表面能发电机及自供电系统研究取得新进展

表面能在自然界无处不在，荷叶能够产生保持洁净，小孩子吹出来的圆形肥皂泡皆得益于表面能的作用。作为一种普遍存在的能量形式，表面能在表面物理、表面化学以及生物物理等研究领域扮演了重要角色。由于其二维特性，仅含有少量分子或者原子，故其能量面密度较小，这使得表面能在通常能源的使用中毫无用武之地。

    而对纳米器件研究来说，由于纳米材料的高比表面积，且纳米器件能耗的非常低，这使得表面能发挥重要作用成为可能。近日，中科院国家纳米科学中心孙连峰研究员及合作者证明，可以利用定向排列的单壁碳管绳将极性表面液体的表面能转换为电能，且可以与常用的热敏电阻连用，构成无需外部能源即可正常工作的自供电测温系统。

    研究人员首先利用金刚石拉丝模对单壁碳纳米管薄膜进行处理，得到定向性良好的碳纳米管绳。将碳管绳用电极固定，碳管绳构成类似酒精灯芯结构。当浸入酒精等极性液体时，在表面张力的作用下，极性溶剂沿着碳管之间的间隙流动。流动的极性分子与碳管中的载流子交换动量，使得载流子产生定向运动而在管的两端产生稳定的电动势。他们还研究了调控电动势大小及稳定性的相关参数：如管绳倾角、特征长度、酒精挥发性等。同时，他们还发现，Marangoni效应对发电机的性能有明显的提高。如电动势产生速率、电动势大小以及输出功率，实验中他们得到最大功率可达1770pW。由于电动势的高度稳定性，他们证明此类表面能发电机可以驱动常用的热敏电阻，在不用外界其他电源的情况下，形成一个自供电系统温度传感器。他们下一步的目标是小型化、高效的多功能自供电工作系统。

    该项工作对特殊环境下自供电纳米单元器件以及器件系统的研究开辟了一条新的道路，具有重要意义。结果发表于《先进材料》(Adv. Mater. 22，999(2010))后，纳米科技网站Nanowerk随即给予了报道。

    上述工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中国科学院“百人计划”项目的支持。