近日，青岛大学物理科学学院王晓雄教授团队，发明了一种全水相纳米发电机，实现了利于电荷转移的 100% 接触面，并拥有良好的生物相容性和潮湿环境输出，可给新型电子器件的设计提供重要途径。
图 | 王晓雄（来源：王晓雄）
该成果可用作生命活性物质微反应器、活性药物的递送载体、以及给电子元器件和超级电容器充电，还有望解决生命现象的一些关联问题。
在生物体内，电行为是不可忽略的重要组成力量。但是，在低电压、低电流条件下，很难开展电学性质的测量。这也是细胞器层级上的电效应研究缺失的根本原因。整体来讲，依托相分离的电效应，一定会有大量生命过程中的电学贡献量被发现和厘清。
在此次课题发起时，尚未出现关于水液滴和水液滴的接触起电报道。因此，研究中用到的双水相系统（aqueous two-phase system，ATPS）技术是很关键的前沿技术，而关于 ATPS 之前也几乎没有电学方面的研究报道。ATPS 的核心价值在于，其能对生命起源里的一些效应做出解释。所以，接触分离起电效应也必然能用于解释和处理相关细节。王晓雄表示：“关于这个课题，还有一些个人的经验倾向和爱好倾向。我硕博期间主要从事凝聚态物理相关研究，大佬们都很牛，没法望其项背了。在凝聚态物理中，最主要的成员就是固体和液体，当然还包括少数高端气体。我和团队对固体研究了很久，所以就想问液体去哪儿了？”而近些年来，王晓雄也开始关注相关的文献报道，发现液态物质例如液态金属、离子液体等，它们确实无一例外地引发了巨大的关注。比如液态金属，通过调控 InGaSn 合金化比例，将其熔点降低到室温以下，就能获得室温液态的金属。那么，这时的液态金属就可被随意调节形状，从而适应柔性电子器件的使用要求。而离子液体则通过增大离子尺寸，来降低离子间相互作用，从而将其在室温做成液体，然后利用离子液体的巨大内电场，实现一系列复杂的电场调控。“既然有了液态金属和离子液体，那么显然我们要问，是不是所有的功能固体都能找到对应的液态形式？以及液体是不是有它自己的发展思路？那我们如果去查找液态半导体，结果大概率会落在液晶上。”王晓雄说。的确，液态物质的能带结构飘忽不定，目前还没有对应的半导体形式。试想，单纯有机半导体材料都引发了广泛的关注，液态半导体岂不是更会引发一系列的创新工作？同时，王晓雄也在关注一些其他的液体进展。比如水滴发电。即使是一滴水，里面也有很复杂的机理机制需要探索。最近几年，纳米发电机领域在发生一个转型，即从传统的固-固纳米发电机、逐步过渡到固-液纳米发电机。但是，液-液纳米发电机相对比较少，特别是可逆可恢复的、能够稳定输出的纳米发电机还未见报道。“大约在 2020 年那会儿，在听张海霞老师（北京大学信息科学技术学院教授）组织的 iCANX 平台的一组报告时，听到了岑浩璋老师（香港大学机械工程系教授）ATPS 的报告，我一看这技术牛啊，然后突然发现我们学校的马庆明老师居然是岑老师的学生，马上过去找，然后一拍即合，马上着手开始做。”王晓雄说。在尝试了不少方案之后，王晓雄最后确定纵向接触分离模式是最靠谱的。此外，两位研究生同学江龙龙和路叶也非常给力，他们搞定了材料学的部分，让整体骨架得以搭起，然后就是按部就班的测试和论文投稿。这也是王晓雄第一个关于水电子器件的工作。整体来说，水的电性质非常有意思，它和生命物质、过程中的现象息息相关，所以这一研究有着巨大的发展前景。在科研之路上，王晓雄很欣赏中科院院士谢毅的逻辑，后者曾表示好的研究成果可以在极度恶劣的条件下重复出来。所以，王晓雄目前的研究思路是先做论证实验，后展开系统工作。其中在论证实验时，会用最简单粗暴的方式验证一下主属性是否存在。比如，他和团队用手拿着电极，接触各种材料去看效果高低，包括液态金属和水、水和油、以及 ATPS 等。他选择了上百种的接触分离组合进行试验，最终效果还是 ATPS 脱颖而出，于是基于此进行了更加系统的研究。第二阶段，是按部就班地展示数据。对于很多研究者来说，这是一个相当重要的过程，即寻找一个合适的框架，把对应的表征结果填进去。在这一阶段，两位一作同学是主力，他们不厌其烦地尝试来自王晓雄和合作老师马庆明的各种想法和设计，并把积极结果和消极结果一并快速反馈，然后大家集中讨论论文思路，为论文所需要的数据图而努力。期间，一个相当重要的分步骤在于——反复选择合适的仪器，从而逐步优化各个参数表征，直到得到好的数据。例如，测试电压、电流在不同环境下的表现情况等。同时，他们还发现了积分电荷较大的现象。这时，就得逐一排除各个可能性。首先是排除电化学放电，这就需要测量衰减曲线。如果是电化学的原因，应该不是随时间衰减。通过测试，王晓雄排除了电化学的原因。接着，还需处理高电荷伴随的低电压情况，即通过 COMSOL 模拟来判断是否是水滴双电层导致的。在进一步分析应用的时候，考虑到 ATPS 系统具有比较好的生物相容性，所以该团队也尝试对其进行药物负载方面的研究。其中，在探索器件应用时，遇到了一些挑战。“一开始我们的思路比较野，就是准备用一个网格装置把 ATPS 系统接触分离做起来，从而使其有效接触面积大幅度提升。但是，实际效果很不好，主要是液滴大小很难做到完全一致，而网眼的局域形状又千差万别。所以，最后还是使用简单串联的方式来做展示。”王晓雄说。第三个阶段便是论文的投稿和审稿。当时也有朋友问王晓雄，是否需要借助知名学者的影响力提高发表档次。王晓雄表示：“在这个问题上我是没有犹豫的，就是想直接面对最严苛的审稿过程，提升自己的科学水平，对我们来一次严苛的考核，看一下最终的成绩。”而每一位审稿人的意见都非常专业，提出的问题都让王晓雄对整个领域的把控更精准，甚至鞭策其做出一些调整和创新，从而创造性地解决问题。“特别是模拟方面，审稿人甚至直接帮我们查找了示波器说明书，来估算内阻和放电时间，对于每一个模拟细节都给出了悉心指导，这使得我们对于 COMSOL 配合插值法有了一个更为熟练的掌握和应用，这一技能甚至让我们在面临其他问题时，都可以使用有限元模拟进行解决。”王晓雄说。回复二三轮的审稿意见，颇具挑战性。王晓雄说：“其中一位审稿人提出的问题，其实我们一开始没有彻底理解，所以第一次主要从字面回复审稿意见，结果效果很不好。后来深入阅读相关文献之后，突然顿悟了审稿人的深层次关切问题，思路一下子就打开了。第二次，我们单纯就其中一个意见给了三四页纸的详尽回复。最后，审稿人说基本讲清了他关注的问题。这里真的建议年轻学者多往老一辈学者的思路上去靠，他们有一些经验真的很有效。”近日，相关论文以《基于水两相体系不混溶界面的液-液摩擦纳米发电机》（Liquid-liquid triboelectric nanogenerator based on the immiscible interface of an aqueous two-phase system）为题发表在 Nature Communications 上 [1]，该团队的路叶、江龙龙担任共同一作，王晓雄和青岛大学药学院特聘教授马庆明担任共同通讯作者。图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
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