近日，《先进材料》发表了国家纳米科学中心孙连峰、王琛等与中科院物理研究所解思深、顾长志等合作的最新研究成果。
在研究中，孙连峰小组和他们的合作伙伴通过构建单根单壁碳纳米管多端器件，独创性地开发了一种新型的四电极测量方法，首次对“内腔含水的”单根单壁碳纳米管进行了研究。通过一系列试验，他们证明：水分子进入到碳纳米管内腔后，通过施加和改变纳米管上的电流、电压能够驱动管内的水分子流动，水流动速度与电流的大小呈线性关系（具有“纳米泵”的功能）。同时，水的流动会在碳纳米管中产生一个电压差（可用于发电）。这一研究得到了国家自然科学基金、中国科学院“百人计划”等项目的资助。
“碳纳米管（CNT）是指由碳原子形成的石墨片层卷成的无缝、中空的管体，可包含一层到上百层石墨层。含有一层以上石墨片层的则称为多壁碳纳米管，只有一层石墨片层的称为单壁碳纳米管。自从上世纪90年代发现单壁碳纳米管后，纳米电子学、纳米化学、纳米材料学的研究开辟了一个富有生命力的全新领域。”孙连峰介绍说，“碳纳米管力学性能优越，而且在卷曲形状不同的情况下，会产生不同的电学性能，具有金属或者是半导体的导电性能。”
“单壁碳纳米管的管径约1.5纳米左右，是一种非常理想的纳米通道。当流体通道减小到纳米尺度时，流体分子与通道之间的相互作用将对流动产生重要影响，使纳米通道中的流体表现出与宏观流体完全不同的特性。对生命极为重要，人体组成物质中含量最高的水在纳米通道中的填充、结构以及传输等方面的性质尤其引人瞩目。”孙连峰告诉记者。
“在纳米流体学的理论研究（分子动力学）中已经得出了大量研究结果，如水分子可以进入疏水的单壁碳纳米管内腔，形成特殊的氢键结构，从而展现出新奇的相变。但在实验研究方面, 由于单壁碳纳米管的管径约1.5纳米左右，直接观测碳纳米管内部的水还没有有效的手段，即使是最先进的电镜也难以观测，使得研究难度非常大。目前世界上各个研究组主要使用大量的碳纳米管宏观样品进行研究，无法与理论计算得出的单根碳纳米管的有关结果进行相互验证比较。”孙连峰说。
因此，孙连峰课题组一直致力于如何开展单根单壁碳纳管内水的填充、流动以及相变的研究。他们采用电子束曝光技术，制备了悬空的单根单壁碳纳米管多端器件；然后利用聚焦离子束将单壁碳纳米管两端开口；接着将开口的单壁碳纳米管置入一个可以抽为真空并能通入水汽的腔体内。在研究中，孙连峰小组和他们的合作伙伴独创性地、巧妙地采用了一种新型的四电极测量方法，首次对“内腔含水的”单根单壁碳纳米管进行了研究。通过一系列试验，他们证明：水分子进入到碳纳米管内腔后，通过施加和改变纳米管上的电流电压能够驱动管内的水分子流动，水流动速度与电流的大小呈线性关系。同时，水的流动会在碳纳米管中产生一个电压差。
孙连峰解释说：“这些有趣现象的机理是：单壁碳纳米管中的自由载流子与管内的水分子将产生一定程度的耦合。通过这种耦合作用，碳管内的载流子将动量传递给管内水分子，导致水分子的定向运动。这种水分子的定向运动使碳管中载流子产生定向运动。当载流子积累到一定程度后，载流子的定向运动达到平衡，此时就建立起了稳定的电动势。”
《先进材料》杂志的审稿人对该项工作给于了很高的评价。其中一位审稿人如是说：“这是一篇非常有趣的论文，一根开口的单壁碳纳米管可以被用作‘电动马达’和‘发电机’，这将在纳米流体学中获得重要的应用。这篇文章报道的单根碳纳米管实验具有非常大的挑战性，我对论文的作者们成功地完成这项实验表示祝贺。”该论文也被《先进材料》评为“非常重要的”文章，并以新闻的形式刊登在“Advances in Advance”栏目上。
孙连峰认为，他们工作的意义主要表现在两个方面：一是为在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，为制备纳米发电机的研究提供了一个新的思路。当然这种方法制备得到的发电机的发电效率还有待提高。事实上，近年来人们都十分关注纳米电子器件的发展，国际著名杂志《科学》就曾在2001年将纳米电子学研究的成果评为具有突破性进展的十大科技中的第一项，并指出它将给人类社会带来不可估量的影响。二是制备纳米泵。在纳米世界里，想让水往一定方向流，就不像在河边安个水泵抽水那么简单了。科学家一直想找到一种方法，让纳米水泵也能像河边的水泵那样，一通电就能把水往一定地方送。这种全新方法能够实现单壁碳纳米管内的水分子的流速和流向的有效控制。
对于今后的研究工作，孙连峰说：“课题组主要有两个研究方向：一是对单壁碳纳米管内水分子相变的情况进行深入研究，因为在碳纳米管内水的特性（比如凝固点）会发生改变，希望能够通过实验获得准确数据来进行验证；二是开展提高碳纳米管晶体的质量以及掺杂后电学性质的研究。”
据悉，在国家自然科学基金、科技部和中国科学院“百人计划”项目的资助下，课题组在制备碳纳米管晶体方面已经取得了初步成果，并发表在《纳米快报》上，这也为后续展开碳纳米管晶体性质的研究奠定了坚实基础。