【成果名称】：发现离子液体移动可导致石墨烯内产生电势差并阐明其机制

【完成人】：殷俊，李雪梅，张助华，周建新，郭万林

【成果简介】：自19世纪初期发现离子液体在压力梯度下通过狭窄通道和孔洞会在两端产生电势差以来，最近的研究也显示，沉浸在流动液体中的碳纳米管也可产生电势差。但这种现象产生的原因还不清楚，而且在没有压力梯度下实现生电还是一项挑战。南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点试验室郭万林研究组的研究显示，室温条件下在一个通过剥离产生的单层石墨烯表面移动海水或离子溶液滴可在石墨烯层中产生几个毫伏的电势差。他们通过实验和密度泛函理论计算发现，在液滴和石墨烯界面上会产生一个赝电容，这使得当液滴运动时，液滴前端和后端分别发生充电和放电。这种产生的电势差与液滴移动速度和液滴的数目成正比，而且还依赖于液滴中的离子浓度和种类，并随石墨烯层数的增加而迅速降低。此外他们还研究发现，当石墨烯片从空气中插入海水或离子液体中时，能够产生最大值约为0.1伏的波动电势，这种电势的大小与石墨烯插入离子溶液的速度和石墨片的长度成正比，但随石墨烯层数增加迅速衰减。分析表明，这种波动电势产生于石墨烯和离子溶液间双电荷层界面驱动的石墨烯内电荷转移。石墨烯中的这种新的动电现象可以用于制作手写传感器和能量收集装置以及用于制作海啸监测器等功能传感器件。相关研究论文分别发表在2014年5月Nature Nanotechnology [9(5): 378-383]和Nature Communications [5:3582]上。

Nature Nanotechnology [9(5):378-383]

Generating electricity by moving a droplet of ionic liquid along graphene.

Yin J, Li X, Yu J, Zhang Z, Zhou J, Guo W.

State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Key Laboratory for Intelligent Nano Materials and Devices of the Ministry of Education, and Institute of Nanoscience, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 29 Yudao Street, Nanjing 210016, China.

Corresponding author: Wanlin Guo

Abstract

Since the early nineteenth century, it has been known that an electric potential can be generated by driving an ionic liquid through fine channels or holes under a pressure gradient. More recently, it has been reported that carbon nanotubes can generate a voltage when immersed in flowing liquids, but the exact origin of these observations is unclear, and generating electricity without a pressure gradient remains a challenge. Here, we show that a voltage of a few millivolts can be produced by moving a droplet of sea water or ionic solution over a strip of monolayer graphene under ambient conditions. Through experiments  and density functional theory calculations, we find that a pseudocapacitor is formed at the droplet/graphene interface, which is driven forward by the moving droplet, charging and discharging at the front and rear of the droplet. This gives rise to an electric potential that is proportional to the velocity and number of droplets. The potential is also found to be dependent on the concentration and ionic species of the droplet, and decreases sharply with an increasing number of graphene layers. We illustrate the potential of this electrokinetic phenomenon by using it to create a handwriting sensor and an energy-harvesting device.

【成果名称】：系列微型飞行器

【获奖情况】：部级科技进步一等奖

【完成人】：昂海松

【成果简介】：针对低雷诺数非定常气动特性与稳定性、微型化与抗风能力、承重限制与多任务设备等矛盾，突破了稳定性、控制、承载、抗阵风能力和制造等一系列难点，研制成功20多种不同类型、不同用途的微型飞行器。主要创新点：（1）研制成功了多类型、多用途、不同尺寸微小型飞行器系列化，实现了体积小、噪声小、耗能小、机动灵活的空中装备需求，发挥了MAV固定翼型、扑翼型和旋翼型MAV的各自特点；（2）形成了MAV设计体系，解决了MAV特有的大幅运动与结构变形的微型柔性翼低雷诺数、非定常气动设计问题；（3）发明了基于智能材料和微机电的多种主动控制变形的MAV结构和仿生机构，实现了以结构控制飞行、快速拆装、可折叠携带与展开等特点；（4）自主设计研制了集惯性、磁、气压、卫星信息、激光、视觉、声等多传感器信息融合高度集成的微型飞行控制硬件系统和多种智能控制软件，实现了抗阵风自适应飞行控制；（5）研制成果了以MAV为平台的微型高精度转台等多种新型装置。

       本成果申请发明专利18项（授权6项）；出版了2部在国际上首次关于微型飞行器系统综合性设计的专著；获日内瓦国际发明博览会大会特别奖和金奖等国际性科技奖6项。鉴定委员会认为：该成果处于国内领先、国际先进水平，在多用途微型飞行器主动控制变形结构设计方面属国际领先水平。