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纳米发电机:摩擦也能带来“正能量”

摩擦生电,是个尽人皆知的事情,初中物理电学部分的第一课就是摩擦起电,而干燥环境下由于摩擦而造成的静电常常让人头疼不已。既然生活中摩擦无处不在,如何让这个令人厌烦的问题变成人见人爱的“正能量”?

在不久前召开的以“纳米能源与压电(光)电子学发展前沿”为主题的第538次香山科学会议上,记者了解到,基于纳米能源与压电电子学理论而研发出来的摩擦纳米发电机,让摩擦发电不再是幻想。

世上最小的发电机

这种摩擦纳米发电机,其机械能转化效率是50%—80%,可以为微小电子器件、纳米机器人提供电力,使之真正实现自驱动

纳米能源是指基于纳米技术和纳米材料的能源转换与能源存储技术。其实早在2007年4月出版的《科学》(Science)杂志上,就介绍了本次会议的执行主席、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林研究员研制的由超声波驱动的直流纳米发电机。而更早的2006年4月,一向对新方法、新理论十分热衷的《科学》杂志,也曾报道过王中林领导的小组首次在纳米(十亿分之一米)尺度范围内,将机械能转换成电能的研究成果。

王中林当时研制的这个世界上最小的发电机,巧妙地利用了纳米线的半导体性能和压电效应: 通过外界环境震动,无论是超声波,还是人的行走、潮汐的运动,甚至心脏跳动(如果被植入人体内部的话),使得纳米线因机械运动所产生的动能传导,而产生微小的共振、摆动、变形,从而在表面积累起电荷,再由纳米线所附着的电极板输出电流。

据测算,当时这种纳米发电机的发电效率可以达到17%—30%。要知道,现在最好的太阳能电池的实际发电效率也仅在20%上下。

不过这样的发电效率依然不能令人满意。2011年,一个偶然的机会,王中林团队发现表面上修饰着纳米结构的塑料薄膜,互相摩擦产生的静电电压电流是过去用压电产生的几十倍,这个发现让他们兴奋异常。之后经过一年多的研究,使得输出功率提高了五个数量级。通过实验验证这种摩擦纳米发电机,其机械能转化效率是50%—80%,真是惊人啊!

由于摩擦这一现象很普遍,在生活中无处不在,由此团队发明了四种模式,可以把接触、滑动等四种不同的状态转化成电能。这种摩擦纳米发电机由特殊设计具有纳米结构的高分子材料及其复合材料组成,辅以极少量的金属电极材料,造价低廉,成品轻盈,耐腐蚀,它可以为微小电子器件、纳米机器人提供电力,使之真正实现自驱动。

换个思路变身传感器

触发摩擦纳米发电机,它就能发出信号,那反过来,如果监测信号,就知道它触发的情况

近年来,尺寸微小、功耗低、反应灵敏的纳米器件和纳米机器人,一直是纳米学术界的前沿,因为它可以完成微观医疗以及遥感等普通人力难以企及的使命。但对于全球众多的研究者而言,最大的问题是:不管纳米器械做到多小,仍然不得不依赖庞大的外接电源。更不用说由于常规电池多含有毒性物质,使得一些医用纳米微型设备无法植入人体。

如果不能同步实现器件和电源的小型化,让纳米器械进入微观世界,也许只能是纸上谈兵。现在,随着纳米发电机的出现,这一前景重新变得光明起来。哈佛大学化学系教授查尔斯·莱博认为,这一发明为如何给纳米器件提供电力这一关键问题“提出了解决方案”。

除了完全无线、可生物植入、长时期甚至终生无需照管的纳米或微电子器件之外,将来每个人的衣服上、鞋子里等,都可以放置这样的电源,为身上携带的便携电子设备(包括MP3、手机等)提供能量。这样智能穿戴设备才可能越来越流行。

纳米能源另一个应用是自驱动的传感系统,它解决了制约物联网发展的微电源问题,从而实现无线传感器在无人看护下,稳定、可靠、长时间低成本运行。而按另一种思路设计的传感器,还可以为医疗和安全提供解决方案。

王中林介绍说,触发摩擦纳米发电机,它就能发出信号,如果发电机是把电流收集起来,那反过来,如果我监测信号,就知道它触发的情况。他利用这一原理设计了一个小型传感器,贴在胸部、喉咙上,可以测量我们血压和血液在身体的流动状态。

这一思路还可以应用到安保方面。把这种传感器安装在门把手上,如果有人按上去就会产生信号从而实现立即报警。同样的原理还可以安装到地面上、屋子里,当无人进入时不会开启,但一旦有人踩上去,它就可以产生信号并启动监视状态。这种应用不仅节能而且节省数据。

纳米能源的巨大能量

海水流动昼夜不停,为摩擦纳米发电机提供了稳定的工作环境,根据粗略测算,在200公里乘以200公里的海面,利用5米深的水就可以产生相当于三峡的总电量

纳米能源可以解决的可不仅仅是这些微小系统的问题,其产生的巨大能源可以诱发能源革命。

利用海水波浪产生的摩擦效用,研究者们设计研发了水能摩擦纳米发电机,将其结成网状放置到海洋中,会使海水无规则的运动转变为源源不断的电能。据实验测算,每平方公里的海面将可以产生兆瓦级的电能输出。

王中林团队利用固液界面的摩擦起电现象研制的“水能摩擦纳米发电机”,可用于对河流、雨滴、海浪的动能收集。通过摩擦纳米发电机四种基本模式的组合应用,这种发电机可以高效地回收海洋中的动能资源,包括水的上下浮动、海浪、海流、海水的拍打。他说,“水能摩擦纳米发电机”首次实现固液界面摩擦发电。以前,一般认为只有在干燥条件下才能摩擦起电;该技术也实现了对水滴和波浪动能的同时收集。

王中林院士说,我国海域辽阔,海水流动昼夜不停,这为摩擦纳米发电机提供了稳定的工作环境。依托海洋,这种“蓝色能源”或将超越“绿色能源”,具有广阔市场前景。根据粗略测算,在200公里乘以200公里的海面,利用5米深的水就可以产生相当于三峡的总电量。

同时,利用人流踩踏、汽车轮胎摩擦地面,也可发电。例如,北京西单商业区一天的人流踩踏产生的电,相当于约2.5吨煤燃烧所发的电。同样的,利用纳米发电机也可以利用汽车车轮与地面的摩擦而在此前白白浪费掉的能源回收利用。

据报道,美国威斯康星大学分校材料和工程学副教授王旭东(音译)和他的博士生进行了为期一年的研究。他们认为,纳米发电机可以从路面和车辆车轮之间电位差的变化来获得电能。经过研究确定,这种摩擦发电的效率与汽车的重量和速度有密切关系。根据车辆和其行驶状态不同,发电量会有相应变化,但总体估计,这种装置大约能将车辆的燃油效率提高至少10%。

记者从此次香山会议上了解到,目前以我国科学家为主体的研究团队已经对纳米发电机及压电(光)电子学的基础理论、材料的可控制备及新型电子学器件设计积累了基础,获得了一批具有自主知识产权的创新型研究成果,相关研究处于世界领先水平。去年9月,汤森路透集团发布了2015年度论文引用桂冠奖获奖名单,王中林位列其中。

我们期待着不久的将来我们可以受惠于这一研究引发的能源革命,使用上更干净而持续的能源,同时也可以享受这一技术带给我们的生活便利。

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