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力学所碳纳米管内水流诱导电压模拟取得新进展

  碳纳米管流动感应电压仿真的力学研究进展

  在国家自然科学基金委,科技部和中国科学院力学研究所的支持下,中国科学院“微纳系统力学与物理力学研究组”在“模拟水流经碳纳米管时载体与水偶极子链之间的相互作用。研究结果发表在最近出版的J. Am。化学。 Yuan QZ和Zhao YP *。基于充水单壁碳纳米管的水力发电。 Journal of the American Chemical Society,131(18):6374-6376(2009))。 SCI期刊影响因子为7.885。近年来,随着纳米机电(NEMS)系统的迅速发展,新型无线纳米器件和纳米系统的发展已成为当务之急,尤其对于原位,实时和植入式生物体而言,传感,生物医学监测和生物勘探尤为重要。目前,由于尺寸限制,无线设备和植入式生物医学设备通常由电池供电,电池供电,功率和时间限制很小。如果无线设备和植入式生物医学设备能够自供电,则将摆脱限制的应用。国内外一些学者(Ghosh等人,Science,2003; Zhao等人,Adv.Mat。,2008)使用碳纳米管将水内的水转化为电能。但是,由于实验条件的限制,水电可转换成电力的机制和细粒电子化仍然是一个挑战。力学研究所博士生袁泉子,导师赵亚普等人对纳米器件自供电问题进行了深入的研究和模拟,亟待解决。他们使用量子力学密度泛函理论(DFT)和分子动力学(MD)迭代计算来模拟水分子在碳纳米管中的流动,并发现当水分子流过碳纳米管时,在10mV量级碳纳米管(图1)。他们的工作预测并解释说,这种装置可以利用碳纳米管中载流子和水偶极子的相互作用(图2),从环境中收集水分,将其转换成可用的电能。在他们以前的模拟中,没有考虑碳纳米管中的载体和水偶极子链的相互作用,并且水偶极子链在碳纳米管中翻转的特征时间通常被认为是几纳秒,这在实验上是可能的。测量的输出电压是矛盾。然而,赵亚普小组的模拟发现,偶极子链很少翻转,成为纳米水力发电的关键是相互作用,这更接近实现对世界上最小的机械理解水力发电机,只有几纳米大小。美国化学学会评论员对这项工作给予了高度评价,认为“研究方向具有根本性的重要性,并有可能开发实用的纳米能量收集装置”。 “一旦发表,这项工作就得到了几个纳米技术网站(www.nanovip.com,http://arstechnica.com等)的关注和报道。

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