靠摩擦發(fā)電的納米發(fā)電機(jī)

　　摩擦生電，是個(gè)盡人皆知的事情，初中物理電學(xué)部分的第一課就是摩擦起電，而干燥環(huán)境下由于摩擦而造成的靜電常常讓人頭疼不已。既然生活中摩擦無(wú)處不在，如何讓這個(gè)令人厭煩的問(wèn)題變成人見(jiàn)人愛(ài)的“正能量”？

　　在不久前召開(kāi)的以“納米能源與壓電（光）電子學(xué)發(fā)展前沿”為主題的第538次香山科學(xué)會(huì)議上，記者了解到，基于納米能源與壓電電子學(xué)理論而研發(fā)出來(lái)的摩擦納米發(fā)電機(jī)，讓摩擦發(fā)電不再是幻想。

　　世上最小的發(fā)電機(jī)

　　這種摩擦納米發(fā)電機(jī)，其機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率是50%—80%，可以為微小電子器件、納米機(jī)器人提供電力，使之真正實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)

　　納米能源是指基于納米技術(shù)和納米材料的能源轉(zhuǎn)換與能源存儲(chǔ)技術(shù)。其實(shí)早在2007年4月出版的美國(guó)《科學(xué)》（Science）雜志上，就介紹了本次會(huì)議的執(zhí)行主席、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林研究員研制的由超聲波驅(qū)動(dòng)的直流納米發(fā)電機(jī)。而更早的2006年4月，一向?qū)π路椒�、新理論十分熱衷的《科學(xué)》雜志，也曾報(bào)道過(guò)王中林領(lǐng)導(dǎo)的小組首次在納米（十億分之一米）尺度范圍內(nèi)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的研究成果。

　　王中林當(dāng)時(shí)研制的這個(gè)世界上最小的發(fā)電機(jī)，巧妙地利用了納米線的半導(dǎo)體性能和壓電效應(yīng): 通過(guò)外界環(huán)境震動(dòng)，無(wú)論是超聲波，還是人的行走、潮汐的運(yùn)動(dòng)，甚至心臟跳動(dòng)（如果被植入人體內(nèi)部的話），使得納米線因機(jī)械運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能傳導(dǎo)，而產(chǎn)生微小的共振、擺動(dòng)、變形，從而在表面積累起電荷，再由納米線所附著的電極板輸出電流。

　　據(jù)測(cè)算，當(dāng)時(shí)這種納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率可以達(dá)到17%—30%。要知道，現(xiàn)在最好的太陽(yáng)能電池的實(shí)際發(fā)電效率也僅在20%上下。

　　不過(guò)這樣的發(fā)電效率依然不能令人滿意。2011年，一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，王中林團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)表面上修飾著納米結(jié)構(gòu)的塑料薄膜，互相摩擦產(chǎn)生的靜電電壓電流是過(guò)去用壓電產(chǎn)生的幾十倍，這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓他們興奮異常。之后經(jīng)過(guò)一年多的研究，使得輸出功率提高了五個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種摩擦納米發(fā)電機(jī)，其機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率是50%—80%，真是驚人啊！

　　由于摩擦這一現(xiàn)象很普遍，在生活中無(wú)處不在，由此團(tuán)隊(duì)發(fā)明了四種模式，可以把接觸、滑動(dòng)等四種不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)化成電能。這種摩擦納米發(fā)電機(jī)由特殊設(shè)計(jì)具有納米結(jié)構(gòu)的高分子材料及其復(fù)合材料組成，輔以極少量的金屬電極材料，造價(jià)低廉，成品輕盈，耐腐蝕，它可以為微小電子器件、納米機(jī)器人提供電力，使之真正實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)。

　　換個(gè)思路變身傳感器

　　觸發(fā)摩擦納米發(fā)電機(jī)，它就能發(fā)出信號(hào)，那反過(guò)來(lái)，如果監(jiān)測(cè)信號(hào)，就知道它觸發(fā)的情況

　　近年來(lái)，尺寸微小、功耗低、反應(yīng)靈敏的納米器件和納米機(jī)器人，一直是納米學(xué)術(shù)界的前沿，因?yàn)樗�可以完成微觀醫(yī)療以及遙感等普通人力難以企及的使命。但對(duì)于全球眾多的研究者而言，最大的問(wèn)題是：不管納米器械做到多小，仍然不得不依賴龐大的外接電源。更不用說(shuō)由于常規(guī)電池多含有毒性物質(zhì)，使得一些醫(yī)用納米微型設(shè)備無(wú)法植入人體。

　　如果不能同步實(shí)現(xiàn)器件和電源的小型化，讓納米器械進(jìn)入微觀世界，也許只能是紙上談兵。現(xiàn)在，隨著納米發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，這一前景重新變得光明起來(lái)。哈佛大學(xué)化學(xué)系教授查爾斯·萊博認(rèn)為，這一發(fā)明為如何給納米器件提供電力這一關(guān)鍵問(wèn)題“提出了解決方案”。

　　除了完全無(wú)線、可生物植入、長(zhǎng)時(shí)期甚至終生無(wú)需照管的納米或微電子器件之外，將來(lái)每個(gè)人的衣服上、鞋子里等，都可以放置這樣的電源，為身上攜帶的便攜電子設(shè)備（包括MP3、手機(jī)等）提供能量。這樣智能穿戴設(shè)備才可能越來(lái)越流行。

　　納米能源另一個(gè)應(yīng)用是自驅(qū)動(dòng)的傳感系統(tǒng)，它解決了制約物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的微電源問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器在無(wú)人看護(hù)下，穩(wěn)定、可靠、長(zhǎng)時(shí)間低成本運(yùn)行。而按另一種思路設(shè)計(jì)的傳感器，還可以為醫(yī)療和安全提供解決方案。

　　王中林介紹說(shuō)，觸發(fā)摩擦納米發(fā)電機(jī)，它就能發(fā)出信號(hào)，如果發(fā)電機(jī)是把電流收集起來(lái)，那反過(guò)來(lái)，如果我監(jiān)測(cè)信號(hào)，就知道它觸發(fā)的情況。他利用這一原理設(shè)計(jì)了一個(gè)小型傳感器，貼在胸部、喉嚨上，可以測(cè)量我們血壓和血液在身體的流動(dòng)狀態(tài)。

　　這一思路還可以應(yīng)用到安保方面。把這種傳感器安裝在門把手上，如果有人按上去就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)立即報(bào)警。同樣的原理還可以安裝到地面上、屋子里，當(dāng)無(wú)人進(jìn)入時(shí)不會(huì)開(kāi)啟，但一旦有人踩上去，它就可以產(chǎn)生信號(hào)并啟動(dòng)監(jiān)視狀態(tài)。這種應(yīng)用不僅節(jié)能而且節(jié)省數(shù)據(jù)。

　　納米能源的巨大能量

　　海水流動(dòng)晝夜不停，為摩擦納米發(fā)電機(jī)提供了穩(wěn)定的工作環(huán)境，根據(jù)粗略測(cè)算，在200公里乘以200公里的海面，利用5米深的水就可以產(chǎn)生相當(dāng)于三峽的總電量

　　納米能源可以解決的可不僅僅是這些微小系統(tǒng)的問(wèn)題，其產(chǎn)生的巨大能源可以誘發(fā)能源革命。

　　利用海水波浪產(chǎn)生的摩擦效用，研究者們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)了水能摩擦納米發(fā)電機(jī)，將其結(jié)成網(wǎng)狀放置到海洋中，會(huì)使海水無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樵丛床粩嗟碾娔�。�?jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)算，每平方公里的海面將可以產(chǎn)生兆瓦級(jí)的電能輸出。

　　王中林團(tuán)隊(duì)利用固液界面的摩擦起電現(xiàn)象研制的“水能摩擦納米發(fā)電機(jī)”，可用于對(duì)河流、雨滴、海浪的動(dòng)能收集。通過(guò)摩擦納米發(fā)電機(jī)四種基本模式的組合應(yīng)用，這種發(fā)電機(jī)可以高效地回收海洋中的動(dòng)能資源，包括水的上下浮動(dòng)、海浪、海流、海水的拍打。他說(shuō)，“水能摩擦納米發(fā)電機(jī)”首次實(shí)現(xiàn)固液界面摩擦發(fā)電。以前，一般認(rèn)為只有在干燥條件下才能摩擦起電；該技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)水滴和波浪動(dòng)能的同時(shí)收集。

　　王中林院士說(shuō)，我國(guó)海域遼闊，海水流動(dòng)晝夜不停，這為摩擦納米發(fā)電機(jī)提供了穩(wěn)定的工作環(huán)境。依托海洋，這種“藍(lán)色能源”或?qū)⒊�越“綠色能源”，具有廣闊市場(chǎng)前景。根據(jù)粗略測(cè)算，在200公里乘以200公里的海面，利用5米深的水就可以產(chǎn)生相當(dāng)于三峽的總電量。

　　同時(shí)，利用人流踩踏、汽車輪胎摩擦地面，也可發(fā)電。例如，北京西單商業(yè)區(qū)一天的人流踩踏產(chǎn)生的電，相當(dāng)于約2.5噸煤燃燒所發(fā)的電。同樣的，利用納米發(fā)電機(jī)也可以利用汽車車輪與地面的摩擦而在此前白白浪費(fèi)掉的能源回收利用。

　　據(jù)報(bào)道，美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校材料和工程學(xué)副教授王旭東（音譯）和他的博士生進(jìn)行了為期一年的研究。他們認(rèn)為，納米發(fā)電機(jī)可以從路面和車輛車輪之間電位差的變化來(lái)獲得電能。經(jīng)過(guò)研究確定，這種摩擦發(fā)電的效率與汽車的重量和速度有密切關(guān)系。根據(jù)車輛和其行駛狀態(tài)不同，發(fā)電量會(huì)有相應(yīng)變化，但總體估計(jì)，這種裝置大約能將車輛的燃油效率提高至少10%。

　　記者從此次香山會(huì)議上了解到，目前以我國(guó)科學(xué)家為主體的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)納米發(fā)電機(jī)及壓電(光)電子學(xué)的基礎(chǔ)理論、材料的可控制備及新型電子學(xué)器件設(shè)計(jì)積累了基礎(chǔ)，獲得了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新型研究成果，相關(guān)研究處于世界領(lǐng)先水平。去年9月，湯森路透集團(tuán)發(fā)布了2015年度論文引用桂冠獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)名單，王中林位列其中。

　　我們期待著不久的將來(lái)我們可以受惠于這一研究引發(fā)的能源革命，使用上更干凈而持續(xù)的能源，同時(shí)也可以享受這一技術(shù)帶給我們的生活便利。

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