三峽水庫工程作為世界上最大的水利發(fā)電站每天為華東地區(qū)十個省市提供10億度電。但是在能源需求上漲和氣候變化的壓力下，它的能源輸出依然達(dá)不到水利發(fā)電技術(shù)的發(fā)明人，尼科拉-特斯拉的希望。特斯拉曾說過：“電能無處不在，用之不竭；它可以驅(qū)動全世界的機(jī)械設(shè)備，不用依靠任何燃料。”

南京航空航天大學(xué)納米科學(xué)研究所所長，中國科學(xué)院院士郭萬林教授發(fā)明的水伏技術(shù)的核心就是通過水分蒸發(fā)和水滴在納米材料表面運動等過程來發(fā)電。《國家科學(xué)評論》近期采訪了郭院士，請他深入介紹了水伏學(xué)，并展望這項技術(shù)在從化石能源轉(zhuǎn)移到可再生能源領(lǐng)域的潛力。

NSR：感謝您接受我們的采訪。水伏學(xué)是怎么從您在空天材料方面的研究衍生出來的？

郭萬林：我畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)航空工程系，我在空天材料結(jié)構(gòu)工程方面從事了多年的研究。飛機(jī)制造從19世紀(jì)開始使用鋼等金屬材料，航空工程師隨后開始研究這類材料的強(qiáng)度和飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性。他們發(fā)現(xiàn)鋼一類的合金在重復(fù)載荷后也會疲勞，導(dǎo)致斷裂。疲勞這個概念以前只存在于生命科學(xué)中，但是金屬也會疲勞。以前的研究表面金屬疲勞的原因是這些材料在外部應(yīng)力作用下，產(chǎn)生不均勻的局部應(yīng)變。因為飛機(jī)材料既要強(qiáng)又要韌，局部應(yīng)變的不均勻性是必要的。但是不均勻性同時會造成塑性的累積，最終導(dǎo)致金屬材料化學(xué)鍵的斷裂。深入到原子和量子尺度，電子把原子連接成分子，從而構(gòu)成宏觀尺度上的材料。我們過去30年在航空材料疲勞斷裂方面的研究指引給我們一個新的研究方向。在從宏觀尺度上的力學(xué)過渡到微觀尺度上的量子力學(xué)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)了水伏學(xué)方面的現(xiàn)象。比如，碳納米管在外電場作用下可以延伸20%。其它深入實驗也表明外力，熱，磁場都可以改變材料中電子的分布和軌道性質(zhì)等量子態(tài)。這些變化通常起始于材料內(nèi)部異性區(qū)域之間的界面。具體來說，一種材料的韌性取決于內(nèi)部界面處的相互作用。

在一個航空航天大學(xué)，我們自然聚焦于飛機(jī)發(fā)動機(jī)和空氣之間的界面，我們研究這個界面和發(fā)動機(jī)推力之間的關(guān)系。然后我們把實驗擴(kuò)展到功能材料和水之間的相互作用，并研究了水流、液滴運動和蒸發(fā)與電荷的相互作用。人類的生活環(huán)境包括蒸發(fā)、降水、河流和海浪等水循環(huán)的步驟。這些過程吸收來自太陽的能量。當(dāng)我們將這種能量通過水與材料的相互作用直接轉(zhuǎn)化為電力時，我們將其命名為“水伏學(xué)”，類似于光伏學(xué)。簡而言之，我們的研究軌跡從宏觀層面的疲勞和斷裂開始，延伸到固體界面的微觀特性，如多場耦合。然后我們將注意力轉(zhuǎn)向固液界面，發(fā)現(xiàn)了水伏學(xué)。

圖一：石墨烯六角形晶體結(jié)構(gòu)的電子顯微照片

NSR：請您介紹2014年出現(xiàn)的水伏實驗的第一步。您是如何發(fā)現(xiàn)液滴在石墨烯表面滑動時可以產(chǎn)生電勢的？

郭萬林：我們的一名學(xué)生進(jìn)行了一項涉及氣流與石墨烯表面摩擦生電的實驗，然后決定在液體中進(jìn)行類似的實驗。以前用碳納米管在液體中進(jìn)行的實驗確實產(chǎn)生了電力，但我們最初的石墨烯在水流中的實驗并沒有成功。然而，當(dāng)我們將石墨烯從液體中取出，穿過氣液界面時，我們檢測到了一個電壓。此外，當(dāng)一個液滴沿著石墨烯表面滑動時，我們檢測到的電壓與移動速度成正比。這一發(fā)現(xiàn)在2014年發(fā)表時在全世界引起了相當(dāng)大的關(guān)注。

NSR：這個研究方向的下一步是解釋這個現(xiàn)象的機(jī)制。那么石墨烯在這個過程中的作用是什么？

郭萬林：根據(jù)經(jīng)典的電動力學(xué)理論，在固液界面上，負(fù)電荷在固體表面上積累，它們把液體中的正離子吸引到界面上，這被稱為吸附層。液體中的負(fù)離子隨后形成一個擴(kuò)散層，位于正離子的吸附層旁邊。此外，正離子還把大量的電子吸引到固體中的表面上，它們形成一個類電容器。如果一個液滴沿著固體表面移動，類電容器就會在液滴前方持續(xù)充電，在后方放電。這個循環(huán)產(chǎn)生了固體中的電子運動和電勢差。液體中的正負(fù)離子形成一個經(jīng)典的雙層系統(tǒng)，需要在固體中包含第三類電子來解釋液滴前后產(chǎn)生的電勢。這個三類電荷模型代表了電動力學(xué)向能量采集方面的擴(kuò)展。

NSR：影響水伏實驗中的電壓和功率的因素有哪些，如何優(yōu)化這些參數(shù)？

郭萬林：當(dāng)我們剛開始進(jìn)行液滴運動的實驗時，輸出電壓大約在毫伏數(shù)量級。輸出功率大約在納瓦數(shù)量級。但是，如果用一個偏置電壓極化這個系統(tǒng)，我們可以增加石墨烯產(chǎn)生的電勢。通過優(yōu)化電路，輸出電壓又增加到約一伏特。接下來，我們將液滴放在電介質(zhì)表面上，液滴的擴(kuò)散形成了一個電容器。電容器上的電荷釋放到外部電路，輸出大約在數(shù)百伏特。從毫伏到伏特再到數(shù)百伏特的這一進(jìn)展是在不到10年的時間內(nèi)實現(xiàn)的。我們最近的實驗中，水滴從水龍頭掉落幾十厘米，輸出電壓達(dá)到1200伏特。

圖二：滑動水滴(右圖)的前端和后端之間產(chǎn)生一個電荷差異；靜止水滴(左)兩端電荷平衡。

NSR：水伏研究的下一步是基于水分蒸發(fā)的發(fā)電。它是如何工作的？它的功效與液滴運動過程相比如何？

郭萬林：地球上的水接收了太陽輻射能的70％，其中的一半被用于水的蒸發(fā)。隨著氣候變化的加劇，蒸發(fā)過程增加了，因此水循環(huán)的過程包含著巨大的能量，可以用來發(fā)電。我們設(shè)計了一個實驗來展示這個過程：我們在石英基板上放置一個條形多孔碳材料。然后我們在這條材料邊緣上連接了一系列電極，并將它的一半浸入水中。天然的毛細(xì)效應(yīng)將水吸到材料上，水的浸潤區(qū)域沿著條帶上升。我們測量到的不同區(qū)域的電壓分布展示了這個現(xiàn)象的特征：浸沒在水中的最低兩個電極之間沒有電壓，而在毛細(xì)管范圍以上的最高兩個電極之間也沒有電壓。毛細(xì)現(xiàn)象范圍內(nèi)的每個部分都顯示出逐漸增加的電壓，所有部分的總和加起來等于條帶兩端之間的總電壓。

根據(jù)我們之前的移動液滴發(fā)電的實驗，我們的假設(shè)是這個過程的基本機(jī)制是條帶中保持蒸發(fā)水源的水流。接下來的一系列實驗向我們展示了我們測量到的電壓與水蒸發(fā)之間的關(guān)聯(lián)。首先，當(dāng)水被完全密封在容器中時，蒸發(fā)產(chǎn)生的電壓在1000秒內(nèi)消失；當(dāng)容器被打開時，電壓恢復(fù)。此外，電壓受環(huán)境條件影響， 風(fēng)、溫度升高和濕度降低會增加輸出電壓。在自然環(huán)境中，隨著氣候變化的不斷增強(qiáng)，我們應(yīng)該充分利用這些因素優(yōu)化蒸發(fā)發(fā)電的效能，從太陽光獲取最多的能量并將其轉(zhuǎn)化為電能。如果大規(guī)模成功的實施水伏發(fā)電，這個技術(shù)可能緩解氣候變化的影響，并提供電力。

NSR：您的研究的最新的一個進(jìn)展是設(shè)計了一種結(jié)合吸濕和蒸發(fā)的復(fù)合材料。這在多大程度上可以提高水伏過程的效率？

郭萬林：水蒸發(fā)發(fā)電可能面臨的挑戰(zhàn)的是它在自然環(huán)境中的可持續(xù)性。例如，在沒有湖泊或河流等水源的地區(qū)，水蒸發(fā)的水源必須是大氣本身。隨著氣候變暖，大氣的濕度也更高。為了利用這一點，我們提出了一種結(jié)合吸濕和蒸發(fā)的設(shè)備。吸濕功能是通過充滿氯化鋰的纖維素紙上的親濕層實現(xiàn)的；蒸發(fā)功能是通過碳黑摻雜的纖維素紙的疏水層實現(xiàn)的。這個復(fù)合設(shè)備通過氯化鋰實現(xiàn)吸濕功能，并通過碳黑實現(xiàn)蒸發(fā)功能，形成一個自給自足的水循環(huán)。同時，吸濕過程釋放熱量，蒸發(fā)過程從環(huán)境中吸收熱量，還形成了一個熱循環(huán)。這個設(shè)備可以使發(fā)電效率增加10倍，輸出電壓達(dá)到伏特級別，輸出電流達(dá)到毫安級別。

圖三：水分蒸發(fā)在一條碳黑兩端產(chǎn)生電壓差(左圖)。雙層的符合材料同時實現(xiàn)水分的吸濕和蒸發(fā)(右圖)。

NSR：您能簡要介紹一下水伏材料的最新發(fā)展嗎？

郭萬林：我們在液滴實驗中使用了石墨烯，在蒸發(fā)實驗中使用了碳黑。它們都是碳納米材料。很快我們使用的材料擴(kuò)展到了半導(dǎo)體、金屬有機(jī)框架和蛋白膜等生物材料。它們都可以作為水伏材料。水伏研究的第一步是發(fā)現(xiàn)這些過程，并找到哪些材料能夠引發(fā)這些過程。下一步是選定哪些材料更高效并且廉價。例如，早期液滴實驗中使用的片狀石墨烯是轉(zhuǎn)移到纖維基底上的。轉(zhuǎn)移石墨烯的過程引發(fā)了質(zhì)量和層數(shù)方面的不一致性。后來，我們實現(xiàn)了在電介質(zhì)基底上直接合成石墨烯，并使用乙酸銅作為化學(xué)蒸汽沉積方法中的催化劑來優(yōu)化了這個過程。這極大地提高了石墨烯質(zhì)量，使水伏材料更適合量產(chǎn)。

NSR：光伏轉(zhuǎn)換的一個核心問題是效率。目前，水伏轉(zhuǎn)換的效率是多少？

郭萬林：在光伏領(lǐng)域，理論上的最大效率略高于30%。通過硅和鈣鈦礦技術(shù)的組合，我們正在接近這個極限。在不到10年的水伏學(xué)的發(fā)展中，我們已經(jīng)把效率從1/1000提高到了10%。

在我們轉(zhuǎn)化水滴的機(jī)械能發(fā)電時，實驗效率從大約10%提高到了20%。水分蒸發(fā)發(fā)電不同，它是一個自然過程，不需要外部做工。蒸發(fā)過程在水循環(huán)中持續(xù)進(jìn)行，能量轉(zhuǎn)化量只受到轉(zhuǎn)化技術(shù)的限制。從理論上講，我們以單位面積的電功率輸出來衡量我們的轉(zhuǎn)化效能，當(dāng)前值約為每平方米1瓦特。就蒸發(fā)的能量轉(zhuǎn)換效率而言，如果我們將液體水吸收的所有熱量作為分母，效率僅約為1/1000，因為大部分熱量用于水從液態(tài)到氣態(tài)的相變。因此，還有很大的優(yōu)化空間。如果我們能將該比值提高到1%，我們將邁入一個新的水伏能源時代。

NSR：您最近的另一個研究課題是水伏智能。請向我們介紹一下它與神經(jīng)科學(xué)的關(guān)系。

郭萬林：我們預(yù)測水伏學(xué)將進(jìn)一步發(fā)展為三個分支：水伏能源、水伏生態(tài)和水伏智能。我們的世界已經(jīng)從機(jī)械時代發(fā)展到電氣時代，然后發(fā)展到信息時代。現(xiàn)在我們正過渡到智能時代。當(dāng)我們研究智能的來源時，我們發(fā)現(xiàn)人腦包含70%至80%的水分。我們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由數(shù)十億個神經(jīng)元組成的，每個神經(jīng)元也包含70%至80%的水分。這樣的系統(tǒng)如何接收刺激、釋放電信號、存儲記憶并最終形成意識？在我們從信息時代過渡到智能時代的過程中，這是未來科學(xué)研究要聚焦的一個重要領(lǐng)域。我們從人腦中學(xué)到的東西可能會指導(dǎo)人工智能的發(fā)展。根據(jù)經(jīng)典神經(jīng)科學(xué)，大腦中的電荷和神經(jīng)信號起源于水中的鉀、鈉和鈣離子的運動。然而，目前對離子動力學(xué)的了解不能完全解釋大腦如何生成、存儲和處理信息。在水伏學(xué)中，我們從量子力學(xué)尺度到原子尺度再到生物分子尺度研究水和固體之間的相互作用，我們發(fā)現(xiàn)大腦中的離子運動受到水的調(diào)節(jié)或控制。這個研究方向?qū)⒔Y(jié)合物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)。我認(rèn)為未來的神經(jīng)科學(xué)一定會聚焦在這個領(lǐng)域上。

NSR：您還研究了神經(jīng)遞質(zhì)與細(xì)胞膜之間的相互作用。您的研究是如何從石墨烯一類人造二維材料過渡到天然薄膜？

郭萬林：在基礎(chǔ)科學(xué)研究中，我們經(jīng)常研究自然界中的材料和過程。當(dāng)我們研究細(xì)胞膜上發(fā)生的活動時，其基本機(jī)制與使用人造材料發(fā)電的水伏實驗非常相似。這些過程都集中在水和固體之間的界面上電子和離子之間的相互作用上。我們從微觀電子性質(zhì)到宏觀電磁場和熱性質(zhì)都是從同一類科學(xué)原理開始的。具體在細(xì)胞膜的研究方面，我們知道細(xì)胞膜在生命的演化中起著核心作用，它是調(diào)節(jié)物質(zhì)和信息進(jìn)出細(xì)胞的調(diào)節(jié)器。這些行為是由細(xì)胞膜上的各種蛋白質(zhì)執(zhí)行的。例如，我們最近發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)遞質(zhì)（如多巴胺、內(nèi)啡肽和亮氨酸內(nèi)啡肽）具有芳香側(cè)環(huán)，能夠自由地穿透神經(jīng)元的膜。相反，乙酰膽堿和天門冬氨酸沒有芳香側(cè)環(huán)，它們只能夠在細(xì)胞外溶液中擴(kuò)散。這種功能區(qū)別是通過嵌入在細(xì)胞膜上的磷脂雙層上的蛋白質(zhì)實現(xiàn)的。

NSR：結(jié)構(gòu)生物學(xué)家已經(jīng)研究了細(xì)胞膜上的分子功能，例如電荷傳輸。水伏學(xué)在這方面能提供什么新發(fā)現(xiàn)？

郭萬林：經(jīng)典生物學(xué)首先發(fā)展成為細(xì)胞生物學(xué)，隨后隨著基因的發(fā)現(xiàn)以及基因如何產(chǎn)生蛋白質(zhì)，引發(fā)了分子生物學(xué)。冷凍電子顯微鏡向我們展示了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在我們處于結(jié)構(gòu)生物學(xué)的時代。在看到結(jié)構(gòu)之后，下一步是理解結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)聯(lián)。具體而言，在神經(jīng)科學(xué)中，我們想要了解神經(jīng)元如何存儲和處理信息。水伏學(xué)將神經(jīng)科學(xué)推進(jìn)了一步，它的重點是蛋白質(zhì)如何與神經(jīng)元的自然環(huán)境中的離子和分子相互作用。這對于理解大腦中的物質(zhì)和信息的傳輸至關(guān)重要。

NSR：在合成人造材料時，我們可以從細(xì)胞膜等天然材料中獲得什么啟示？

郭萬林：正如我們所說，細(xì)胞膜的一個重要作用是調(diào)節(jié)能量傳輸和離子傳輸。在氫燃料電池中，質(zhì)子交換膜的關(guān)鍵功能與細(xì)胞膜非常相似。在鋰電池中，調(diào)節(jié)離子傳輸也是提高性能而不損壞內(nèi)部組件的關(guān)鍵。膜工程現(xiàn)在是可再生能源的研究中的重要方向。

NSR：您認(rèn)為水伏學(xué)的主要里程碑是什么，它們何時會達(dá)到實際應(yīng)用？

郭萬林：當(dāng)我們在2014年開始液滴實驗和2017年開始蒸發(fā)實驗時，我們只測量到非常微弱的效應(yīng)。自2020年以來，我們已經(jīng)成功將動力輸出提高了6個數(shù)量級，蒸發(fā)功率輸出提高了3個數(shù)量級。在幾年內(nèi)我們實現(xiàn)了指數(shù)增長。沿著這個趨勢，我預(yù)測在未來3至5年內(nèi)我們可能會取得突破性進(jìn)展。然而，我們必須承認(rèn)，傳統(tǒng)技術(shù)，如水力發(fā)電和光伏發(fā)電，經(jīng)歷了大約100年時間才達(dá)到今天的商業(yè)應(yīng)用。在科學(xué)突破出現(xiàn)之前不可能預(yù)測它的發(fā)展。但我們相信這個領(lǐng)域一定會推進(jìn)物理和化學(xué)方面的新發(fā)現(xiàn)。此外，在氣候變化的過程中，環(huán)境中的熱量和濕度也在增加，所以人類應(yīng)該投入更多資源發(fā)展從環(huán)境中提取能源的技術(shù)。水伏學(xué)可能成為一個巨大的能源來源。至于水伏智能的前景，我們相信人工智能的成功取決于我們能從人類的天然智能中找到什么啟示。

NSR：您最近將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于預(yù)測合金的性質(zhì)。請給我們介紹一下這項研究？您覺得人工智能在材料科學(xué)中有什么潛力？

郭萬林：人工智能的發(fā)展始于20世紀(jì)中期的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)明。在大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代計算技術(shù)的幫助下，基于人工智能的方法，如深度學(xué)習(xí)或機(jī)器學(xué)習(xí)，在科學(xué)中發(fā)揮著越來越重要的作用。自從15世紀(jì)以來，科學(xué)研究一直是以解微分方程為主要的數(shù)學(xué)工具。我們需要解決的問題，從空氣動力學(xué)到量子力學(xué)，都涉及解微分方程。在給定的初始條件和邊界條件下，我們能夠用有限的參數(shù)解這些方程。因此，我們使用微分方程來描述自然界的能力非常有限。現(xiàn)在依靠人工智能，我們面臨的問題包括多達(dá)16種金屬元素組成的合金等復(fù)雜材料。這些問題所需的參數(shù)數(shù)量超出了傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法的能力，但是機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合大數(shù)據(jù)可以處理數(shù)以萬計的參數(shù)，并在多維時空系統(tǒng)中模擬復(fù)雜的物理過程。這些新的研究方法對于開發(fā)新的功能材料至關(guān)重要，比如新的合金和用于水伏發(fā)電的材料。過去，合金材料是通過試錯方法發(fā)現(xiàn)的，但是這些傳統(tǒng)方法不可能測試所有可能的復(fù)雜的合金配方。依靠機(jī)器學(xué)習(xí)和少量的實驗數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在能夠預(yù)測16種金屬元素的構(gòu)成空間中數(shù)百種合金的構(gòu)成配方。不僅如此，我們現(xiàn)在可以以更高的精度和相近的算力來達(dá)到這個效率。

NSR：對數(shù)學(xué)或力學(xué)系的學(xué)生，您有什么專業(yè)建議嗎？

郭萬林：我建議他們用經(jīng)典力學(xué)、量子力學(xué)和數(shù)學(xué)打好科學(xué)研究的基礎(chǔ)。最好的研究是用一張紙和一支筆進(jìn)行的。在現(xiàn)代社會中，你可以再添加一個電腦。憑借這些工具和你的頭腦，這樣的工作才是最具創(chuàng)意的。我建議學(xué)生們一定要把最先進(jìn)的科學(xué)理論作為自己的起跑線，去創(chuàng)造自己的科學(xué)領(lǐng)域，去開拓新的科學(xué)疆界，為科學(xué)做出自己的貢獻(xiàn)。

本文英文原文“Hydrovoltaics brings a new solution in alternative energy: an interview with Prof. Wanlin Guo”發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR）Interview欄目。

來源: 《中國科學(xué)》雜志社