近日，以我校郭万林教授和华中科技大学周军教授为责任作者的合作团队在《自然•纳米技术》（Nature Nanotechnology）发表了以“Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbonmaterials”为题的研究成果。
图示：蒸发生电。碳黑微米薄膜两端器件（a）由含有石墨烯纳米片层堆成的纳米颗粒（b，c）的疏松薄膜和碳纳米管电极构成。薄膜一端浸入水中时，在实验室大气环境下薄膜表面的水蒸发在电极间持续产生约1伏的电势。
水蒸发是发生在我们身边的最常见的自然现象。水从水面或潮湿表面逃逸进入大气形成水蒸气，不仅会吸收环境中的热能从而使环境降温，还会做功、把水从树根输送到树叶。蒸发也能生产蒸馏水、凝结固体、组装纳米结构等，沸水产生的蒸汽更能推动蒸汽机车、发电机等，开启了工业革命。但是，人类从来没有观察到蒸发直接生电的现象。2017年1月30日《自然-纳米技术》在线发表了来自中国学者关于蒸发生电的新发现：大气环境中水从廉价的碳黑薄膜表面自然蒸发直接引起碳黑薄膜中持续稳定的伏级的电势，数平方厘米大的碳黑微米膜上的水在室温环境下的自然蒸发可以直接驱动液晶显示器（LCD）等商用电子器件。
在新发表的论文中，研究者们通过实验和理论结合发现水的自然蒸发就能在碳黑这样的廉价碳纳米结构薄膜中直接引起显著的持续电压。他们先在石英玻璃片两端涂上一对多壁碳纳米管电极，然后把玻璃片放在酒精灯火焰上方收集碳黑，在两个电极间形成均匀的碳黑薄膜。经过退火和等离子辐照处理后，碳黑薄膜从疏水变为亲水，电镜表征为由平均直径约20纳米的碳黑颗粒组成的疏松的、约70微米厚度的薄膜。而碳黑纳米颗粒是石墨烯纳米片堆成的洋葱状颗粒，经过退火和等离子处理后含有丰富的功能团。当把载有这样的1厘米宽2.5厘米长碳黑薄膜的玻璃片倾斜放在广口杯中，在杯中注去离子水使碳黑薄膜下端浸入水中，其余部分在水面之上，便在碳黑的两端电极间随着碳黑的润湿和水蒸发逐渐形成稳定的约1伏的开路电压，在长达8天的试验中一直维持在1伏左右，仅随实验室温度在21.7—23.6摄氏度间变化有微小起伏。所产生的的短路电流达0.1微安，功率达50多纳瓦。一旦广口瓶被盖上，蒸发逐渐终止、电压随之降到零；再次打开时，蒸发恢复、产生的电压也恢复。试验中，改变温度、风速这些影响蒸发的因素，产生的电压随之改变。证明水在实验室大气环境中从碳黑薄膜的自然蒸发在薄膜中产生伏级的电压。
研究者们还设计制备了一组多电极碳黑器件，揭示了蒸发以及蒸发引起的水在碳黑薄膜中的流动是导致电压的根源。系统的第一原理计算表明，含功能团碳黑石墨烯片更亲水，并因水的吸附、离开产生显著的电子密度变化，敏感程度是完美石墨烯片层的上千倍。实验表明，在各种同样处理过的碳黑材料以及碳纳米管薄膜中都存在这种水蒸发生电现象，在乙醇碳黑薄膜中，蒸发引起的电压高达2伏。研究者们演示了将4片碳黑薄膜器件串联产生近5伏的电压，并联产生近0.4微安的电流并驱动商用LCD器件、给电容器充电。
随着工艺的改善和低耗电器件系统技术的发展，尤其是面对全球变暖，纯净水的缺乏，这种依靠纯自然蒸发过程生电的科学发现，具有更显著的实际意义。由于碳黑薄膜的轻薄柔软，对有水蒸发的外星探索也有潜在意义。
