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■ 朱禾《國家科學評論》編輯部
三峽水庫工程作為世界上最大的水利發電站每天為華東地區十個省市提供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不到水利發電技術的發明人，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；它可以驅動全世界的機械裝置，不用依靠任何燃料。” 南京航空航天大學奈米科學研究所所長，中國科學院院士郭萬林教授發明的水伏技術的核心就是透過水分蒸發和水滴在奈米材料表面運動等過程來發電。《國家科學評論》近期採訪了郭院士，請他深入介紹了水伏學，並展望這項技術在從化石能源轉移到可再生能源領域的潛力。
郭萬林：我畢業於西北工業大學航空工程系，我在空天材料結構工程方面從事了多年的研究。飛機制造從19世紀開始使用鋼等金屬材料，航空工程師隨後開始研究這類材料的強度和飛機結構的安全性。他們發現鋼一類的合金在重複載荷後也會疲勞，導致斷裂。疲勞這個概念以前只存在於生命科學中，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力作用下，產生不均勻的區域性應變。因為飛機材料既要強又要韌，區域性應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，最終導致金屬材料化學鍵的斷裂。深入到原子和量子尺度，電子把原子連線成分子，從而構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過渡到微觀尺度上的量子力學的過程中，我們發現了水伏學方面的現象。比如，碳奈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佈和軌道性質等量子態。這些變化通常起始於材料內部異性區域之間的介面。具體來說，一種材料的韌性取決於內部介面處的相互作用。在一個航空航天大學，我們自然聚焦于飛機發動機和空氣之間的介面，我們研究這個介面和發動機推力之間的關係。然後我們把實驗擴充套件到功能材料和水之間的相互作用，並研究了水流、液滴運動和蒸發與電荷的相互作用。人類的生活環境包括蒸發、降水、河流和海浪等水迴圈的步驟。這些過程吸收來自太陽的能量。當我們將這種能量透過水與材料的相互作用直接轉化為電力時，我們將其命名為“水伏學”，類似於光伏學。簡而言之，我們的研究軌跡從宏觀層面的疲勞和斷裂開始，延伸到固體介面的微觀特性，如多場耦合。然後我們將注意力轉向固液介面，發現了水伏學。
圖一：石墨烯六角形晶體結構的電子顯微照片
NSR：請您介紹2014年出現的水伏實驗的第一步。您是如何發現液滴在石墨烯表面滑動時可以產生電勢的？
郭萬林：我們的一名學生進行了一項涉及氣流與石墨烯表面摩擦生電的實驗，然後決定在液體中進行類似的實驗。以前用碳奈米管在液體中進行的實驗確實產生了電力，但我們最初的石墨烯在水流中的實驗並沒有成功。然而，當我們將石墨烯從液體中取出，穿過氣液介面時，我們檢測到了一個電壓。此外，當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。這一發現在2014年發表時在全世界引起了相當大的關注。
NSR：這個研究方向的下一步是解釋這個現象的機制。那麼石墨烯在這個過程中的作用是什麼？
郭萬林：根據經典的電動力學理論，在固液介面上，負電荷在固體表面上積累，它們把液體中的正離子吸引到介面上，這被稱為吸附層。液體中的負離子隨後形成一個擴散層，位於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充電，在後方放電。這個迴圈產生了固體中的電子運動和電勢差。液體中的正負離子形成一個經典的雙層系統，需要在固體中包含第三類電子來解釋液滴前後產生的電勢。這個三類電荷模型代表了電動力學向能量採集方面的擴充套件。
NSR：影響水伏實驗中的電壓和功率的因素有哪些，如何最佳化這些引數？
郭萬林：當我們剛開始進行液滴運動的實驗時，輸出電壓大約在毫伏數量級。輸出功率大約在納瓦數量級。但是，如果用一個偏置電壓極化這個系統，我們可以增加石墨烯產生的電勢。透過最佳化電路，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表面上，液滴的擴散形成了一個電容器。電容器上的電荷釋放到外部電路，輸出大約在數百伏特。從毫伏到伏特再到數百伏特的這一進展是在不到10年的時間內實現的。我們最近的實驗中，水滴從水龍頭掉落幾十釐米，輸出電壓達到1200伏特。
圖二：滑動水滴(右圖)的前端和後端之間產生一個電荷差異；靜止水滴(左)兩端電荷平衡。
NSR：水伏研究的下一步是基於水分蒸發的發電。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％，其中的一半被用於水的蒸發。隨著氣候變化的加劇，蒸發過程增加了，因此水迴圈的過程包含著巨大的能量，可以用來發電。我們設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。然後我們在這條材料邊緣上連線了一系列電極，並將它的一半浸入水中。天然的毛細效應將水吸到材料上，水的浸潤區域沿著條帶上升。我們測量到的不同區域的電壓分佈展示了這個現象的特徵：浸沒在水中的最低兩個電極之間沒有電壓，而在毛細管範圍以上的最高兩個電極之間也沒有電壓。毛細現象範圍內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於條帶兩端之間的總電壓。
根據我們之前的移動液滴發電的實驗，我們的假設是這個過程的基本機制是條帶中保持蒸發水源的水流。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之間的關聯。首先，當水被完全密封在容器中時，蒸發產生的電壓在1000秒內消失；當容器被開啟時，電壓恢復。此外，電壓受環境條件影響， 風、溫度升高和溼度降低會增加輸出電壓。在自然環境中，隨著氣候變化的不斷增強，我們應該充分利用這些因素最佳化蒸發發電的效能，從太陽光獲取最多的能量並將其轉化為電能。如果大規模成功的實施水伏發電，這個技術可能緩解氣候變化的影響，並提供電力。
NSR：您的研究的最新的一個進展是設計了一種結合吸溼和蒸發的複合材料。這在多大程度上可以提高水伏過程的效率？
郭萬林：水蒸發發電可能面臨的挑戰的是它在自然環境中的可持續性。例如，在沒有湖泊或河流等水源的地區，水蒸發的水源必須是大氣本身。隨著氣候變暖，大氣的溼度也更高。為了利用這一點，我們提出了一種結合吸溼和蒸發的裝置。吸溼功能是透過充滿氯化鋰的纖維素紙上的親溼層實現的；蒸發功能是透過碳黑摻雜的纖維素紙的疏水層實現的。這個複合裝置透過氯化鋰實現吸溼功能，並透過碳黑實現蒸發功能，形成一個自給自足的水迴圈。同時，吸溼過程釋放熱量，蒸發過程從環境中吸收熱量，還形成了一個熱迴圈。這個裝置可以使發電效率增加10倍，輸出電壓達到伏特級別，輸出電流達到毫安級別。
圖三：水分蒸發在一條碳黑兩端產生電壓差(左圖)。雙層的符合材料同時實現水分的吸溼和蒸發(右圖)。
NSR：您能簡要介紹一下水伏材料的最新發展嗎？
郭萬林：我們在液滴實驗中使用了石墨烯，在蒸發實驗中使用了碳黑。它們都是碳奈米材料。很快我們使用的材料擴充套件到了半導體、金屬有機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現這些過程，並找到哪些材料能夠引發這些過程。下一步是選定哪些材料更高效並且廉價。例如，早期液滴實驗中使用的片狀石墨烯是轉移到纖維基底上的。轉移石墨烯的過程引發了質量和層數方面的不一致性。後來，我們實現了在電介質基底上直接合成石墨烯，並使用乙酸銅作為化學蒸汽沉積方法中的催化劑來優化了這個過程。這極大地提高了石墨烯質量，使水伏材料更適合量產。
NSR：光伏轉換的一個核心問題是效率。目前，水伏轉換的效率是多少？
郭萬林：在光伏領域，理論上的最大效率略高於30%。透過矽和鈣鈦礦技術的組合，我們正在接近這個極限。在不到10年的水伏學的發展中，我們已經把效率從1/1000提高到了10%。
在我們轉化水滴的機械能發電時，實驗效率從大約10%提高到了20%。水分蒸發發電不同，它是一個自然過程，不需要外部做工。蒸發過程在水迴圈中持續進行，能量轉化量只受到轉化技術的限制。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化效能，當前值約為每平方米1瓦特。就蒸發的能量轉換效率而言，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，因為大部分熱量用於水從液態到氣態的相變。因此，還有很大的最佳化空間。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慧。請向我們介紹一下它與神經科學的關係。
郭萬林：我們預測水伏學將進一步發展為三個分支：水伏能源、水伏生態和水伏智慧。我們的世界已經從機械時代發展到電氣時代，然後發展到資訊時代。現在我們正過渡到智慧時代。當我們研究智慧的來源時，我們發現人腦包含70%至80%的水分。我們的神經網路是由數十億個神經元組成的，每個神經元也包含70%至80%的水分。這樣的系統如何接收刺激、釋放電訊號、儲存記憶並最終形成意識？在我們從資訊時代過渡到智慧時代的過程中，這是未來科學研究要聚焦的一個重要領域。我們從人腦中學到的東西可能會指導人工智慧的發展。根據經典神經科學，大腦中的電荷和神經訊號起源於水中的鉀、鈉和鈣離子的運動。然而，目前對離子動力學的瞭解不能完全解釋大腦如何生成、儲存和處理資訊。在水伏學中，我們從量子力學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，我們發現大腦中的離子運動受到水的調節或控制。這個研究方向將結合物理學、化學和生物學。我認為未來的神經科學一定會聚焦在這個領域上。
NSR：您還研究了神經遞質與細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：在基礎科學研究中，我們經常研究自然界中的材料和過程。當我們研究細胞膜上發生的活動時，其基本機制與使用人造材料發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介面上電子和離子之間的相互作用上。我們從微觀電子性質到宏觀電磁場和熱性質都是從同一類科學原理開始的。具體在細胞膜的研究方面，我們知道細胞膜在生命的演化中起著核心作用，它是調節物質和資訊進出細胞的調節器。這些行為是由細胞膜上的各種蛋白質執行的。例如，我們最近發現，神經遞質（如多巴胺、內啡肽和亮氨酸內啡肽）具有芳香側環，能夠自由地穿透神經元的膜。相反，乙醯膽鹼和天門冬氨酸沒有芳香側環，它們只能夠在細胞外溶液中擴散。這種功能區別是透過嵌入在細胞膜上的磷脂雙層上的蛋白質實現的。
NSR：結構生物學家已經研究了細胞膜上的分子功能，例如電荷傳輸。水伏學在這方面能提供什麼新發現？
郭萬林：經典生物學首先發展成為細胞生物學，隨後隨著基因的發現以及基因如何產生蛋白質，引發了分子生物學。冷凍電子顯微鏡向我們展示了蛋白質的結構，現在我們處於結構生物學的時代。在看到結構之後，下一步是理解結構和功能之間的關聯。具體而言，在神經科學中，我們想要了解神經元如何儲存和處理資訊。水伏學將神經科學推進了一步，它的重點是蛋白質如何與神經元的自然環境中的離子和分子相互作用。這對於理解大腦中的物質和資訊的傳輸至關重要。
NSR：在合成人造材料時，我們可以從細胞膜等天然材料中獲得什麼啟示？
郭萬林：正如我們所說，細胞膜的一個重要作用是調節能量傳輸和離子傳輸。在氫燃料電池中，質子交換膜的關鍵功能與細胞膜非常相似。在鋰電池中，調節離子傳輸也是提高效能而不損壞內部元件的關鍵。膜工程現在是可再生能源的研究中的重要方向。
NSR：您認為水伏學的主要里程碑是什麼，它們何時會達到實際應用？
郭萬林：當我們在2014年開始液滴實驗和2017年開始蒸發實驗時，我們只測量到非常微弱的效應。自2020年以來，我們已經成功將動力輸出提高了6個數量級，蒸發功率輸出提高了3個數量級。在幾年內我們實現了指數增長。沿著這個趨勢，我預測在未來3至5年內我們可能會取得突破性進展。然而，我們必須承認，傳統技術，如水力發電和光伏發電，經歷了大約100年時間才達到今天的商業應用。在科學突破出現之前不可能預測它的發展。但我們相信這個領域一定會推進物理和化學方面的新發現。此外，在氣候變化的過程中，環境中的熱量和溼度也在增加，所以人類應該投入更多資源發展從環境中提取能源的技術。水伏學可能成為一個巨大的能源來源。至於水伏智慧的前景，我們相信人工智慧的成功取決於我們能從人類的天然智慧中找到什麼啟示。
NSR：您最近將機器學習應用於預測合金的性質。請給我們介紹一下這項研究？您覺得人工智慧在材料科學中有什麼潛力？
郭萬林：人工智慧的發展始於20世紀中期的人工神經網路的發明。在大資料等現代計算技術的幫助下，基於人工智慧的方法，如深度學習或機器學習，在科學中發揮著越來越重要的作用。自從15世紀以來，科學研究一直是以解微分方程為主要的數學工具。我們需要解決的問題，從空氣動力學到量子力學，都涉及解微分方程。在給定的初始條件和邊界條件下，我們能夠用有限的引數解這些方程。因此，我們使用微分方程來描述自然界的能力非常有限。現在依靠人工智慧，我們面臨的問題包括多達16種金屬元素組成的合金等複雜材料。這些問題所需的引數數量超出了傳統數學方法的能力，但是機器學習結合大資料可以處理數以萬計的引數，並在多維時空系統中模擬複雜的物理過程。這些新的研究方法對於開發新的功能材料至關重要，比如新的合金和用於水伏發電的材料。過去，合金材料是透過試錯方法發現的，但是這些傳統方法不可能測試所有可能的複雜的合金配方。依靠機器學習和少量的實驗資料，我們現在能夠預測16種金屬元素的構成空間中數百種合金的構成配方。不僅如此，我們現在可以以更高的精度和相近的算力來達到這個效率。
NSR：對數學或力學系的學生，您有什麼專業建議嗎？
郭萬林：我建議他們用經典力學、量子力學和數學打好科學研究的基礎。最好的研究是用一張紙和一支筆進行的。在現代社會中，你可以再新增一個電腦。憑藉這些工具和你的頭腦，這樣的工作才是最具創意的。我建議學生們一定要把最先進的科學理論作為自己的起跑線，去創造自己的科學領域，去開拓新的科學疆界，為科學做出自己的貢獻。
圖四：郭萬林院士的研究團隊。
*本文英文原文“Hydrovoltaics brings a new solution in alternative energy: an interview with Prof. Wanlin Guo”發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR）Interview欄目：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae096
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