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12月6日，《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)以“Emerging hydrovoltaic technology” （正浮现的水伏技术）为题在线发表了我校纳米科学研究所团队关于水伏效应研究的综述成果。该刊编辑在期刊封面上以“Hydrovoltaics—new ways of harvesting electricity from water”（水伏学）推荐了该成果。

水对生命不可或缺。人体重量约70%的是水，细胞的水含量可达80%。水覆盖了约71%的地球表面，吸收了太阳辐射到达地表能量的近70%。地球上水动态吸纳释放能量的年平均功率高达60万亿千瓦，比全球人类的年平均能量消耗功率（2016年约180亿千瓦）高三个数量级，其中水蒸发的年平均功率达40 万亿千瓦。水能不同于太阳能和风能，在水循环过程中可演化为蒸发能、雨滴能、流动能、落水能、波动能等丰富形式。

在人类历史上，通过各种各样的科学原理，如流水推动的水轮、蒸汽推动的机车、落水推动的发电机组将水的势能或动能根据经典力学和电磁动力学的原理转化成有用的机械运动和电能。另一方面，人们早在十九世纪就发现了水在压力差作用下通过狭小的腔道或缝隙流动会产生流动电势(streaming potential)等动电效应(electrokinetic effect)。动电效应的科学原理是基于热力学和静电学的结合，通过流固耦合剪切固液界面处的双电层而产生电信号。

近年来，我们在石墨烯等二维材料理论和实验研究的基础上，对石墨烯等二维覆层体系的流-固-电耦合开展了系统的研究，发现了液滴在涂覆单层石墨烯的固体表面运动会产生与液滴运动速度成正比的拖曳液滴发电的“曳势”(drawing potential)、液面沿涂覆石墨烯的固体表面上下波动产生与波动速度成正比的波动发电的“波动势”(waving potential)两种新的动电效应；并总结出双电层边界运动发电的新的动电效应理论；实现了基于“曳势”的书画传感、云雾雨滴能量收集等新技术。和华中科技大学研究团队合作发现廉价的碳黑等纳米结构材料可通过大气环境下无所不在的水的自然蒸发持续产生伏级的电能。蒸发发电带来的最大优势是它不需要任何机械输入。在环境蒸发条件下，一厘米大小的炭黑片可稳定输出伏级电压。数平方厘米的薄膜产生的电能已经能够直接驱动液晶显示器。

类比于光伏、压电等能量转换效应，这类通过材料与水作用直接转化水能为电能的现象被称为“水伏效应”（Hydrovoltaic effect）。2018年12月的《自然·纳米技术》则以封面亮点标题的形式提出了“水伏学”（Hydrovoltaics）一词，定义为“一系列从水中捕获电能的新方式”。水伏效应为从自然水循环过程中捕获电能提供了新的技术途径，提升了水能利用的上限。

目前已实现的水伏装置可望发展成非常简洁的清洁能量供应和智能系统。如水蒸发无处不在，不受天气、时空的影响,其水伏系统可结合风能、太阳能、废热等显著提高蒸发发电量，在理论上具有比光伏技术更大的发展空间。水伏系统天然容易与流体环境和生物环境结合。利用液滴和液面的“曳势”，可以直观地测量液体流向、流速乃至离子浓度等流体信息。复旦大学研究团队最近还发现：利用碳纳米管纤维可在血流中产生准伏级电信号；进一步将此类水伏器件与柔性电路、生物传感器等结合，有可能构造出全新的、自驱动的植入式生理监测装置。水伏效应器件与光电等微纳传感器件结合还可以构成自供能、自驱动传感系统等。现有的电子器件大多在固体结构或固体-固体界面工作，水伏系统在原理上工作于固体-液体或固-液-气界面，是对传统电子器件工作模式的发展，具有独特的发展空间。

尽管国际上水伏效应的研究已取得一定进展，但已报道的生电量还远未达到能满足日常生活用电的水平，离实际应用和产业化有很大距离。水伏技术真正成为颠覆性技术还需要持续不断的研究攻关。水伏效应的物理机制源于固液界面耦合，其背后涉及从微观到宏观多个层次的界面物理和力学过程，问题复杂，理论和实验方法都需要有创见的交叉学科研究。首要任务是掌握固液界面的电荷传递与输运规律，形成对水伏效应的物理机理的开拓性认识，需要力学和物理等学科的交叉。其次，高效水伏材料的理论设计、构效优化和可控制备急需材料和化学领域研究者的积极参与。最后，水伏器件的长效稳定性以及器件协同性等方面的改善将还离不开工程科技人员的努力。我们期待本成果能够吸引更多研究人员加入到该领域，以推动水伏科技的快速发展和进步。

该成果得到了国家自然科学基金和校内基金的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-018-0228-6