纳米发电机论文

从2012年开始，乔治亚理工的科学家就一直在探索纳米级静电发电机（TENGs）的应用和商业前景。

近日，韩国蔚山国立科技研究所（UNIST）研究团队在TENGs领域传来好消息，他们已经攻克了一个阻碍TENGs技术广泛应用的技术难题，那就是产出电量低的问题，为了解决这一问题，他们发明了一种新型的聚合物作为电介质材料。

一般意义上，只要电阻率超过10欧·厘米的物质都可以归于电介质的范畴，简单来说就是不导电的物质，比如空气、玻璃、云母片、胶木等。

只不过在静电场中，电介质内部可以存在电场，这也是电介质和导体之间的基本区别，因此当给电介质接入电场时，在外电场的作用下，这些电荷就会在微观范围内产生极化和去极化，实现充/放电的功能。

TENGs设备本身是由两种可以互相摩擦的不同材料组成，通过摩擦之后，玻璃、云母片、尼龙这些材料就可以放出电子，而硅、特氟龙这些材料正好可以吸收电子，因此TENGs设备就可以将摩擦产生的机械能转化为电能，为一些小型的电子设备提供电力。

不过，在研究TENGs设备时候，UNIST的研究人员发现，虽然该设备的特性确实有用，但其通过摩擦发电的方式却有一些缺陷，比如摩擦中的材料无法均匀的进行接触而导致材料磨损严重、静电对潮湿环境比较敏感导致电力输出时损耗较大等情况。因此UNIST研究人员最初是将其研究重心放在了提升点亮输出这一方面，而且，在研发的过程中，还可能顺道解决了一些与TENGs相关的环境问题。

经过实际性的研究后发现，UNIST在ScienceAdvances上发表的设备与乔治亚理工的研究十分相似，只不过UNIST发明的新型聚合物电介质可以从电极中获取到更多的电量、输出的电力也相对更多！

前文提到，UNIST团队为了解决产出电量低的问题，发明了一种新型的聚合物作为电介质材料，这种新型的聚合物的电容率几乎是原材料的两倍，电量的输出更是提升了20倍。输出电量的大幅度提升势必会让TENGs技术更好的适用于充电设备中。

究其目的，研究TENGs技术的最终目标是为智能手机和手机进行充电，不得不说虽然这一愿景还是很美好的，至少说明了人类在向着智能手机等终端设备续航能力无限延伸方面在做着不懈的努力。

目前，通过人类的各种运动行为进行发电的研究都在马不停蹄的进行，比如美国麻省理工学院的两名学生设计了一种地板系统可以收集人们走路、跳舞以及跳跃等运动产生的机械能并将其转化成电能；美国一家公司开发了一款智能地板，可以根据用户的踩踏，利用压感原理发电；德国研究人员已研制出发电鞋，它可以在行走过程中收集电能……

不过，笔者认为，通过对人类运动行为进行电能的收集这样的实验也许还比较靠谱，对摩擦产生的电量进行似乎略显无稽。话说谁没事儿干会戴一双手套去摩擦着给自己的手机充电呢，如果将这样的技术应用到诸如机械方面，似乎安全性方面也是个很大的问题！

就笔者看来，与其研究这些微弱的电量，不如教育和培训我们的世人节约用电、研究新能源，这样产生的电量可比通过摩擦产生的电量多的多！

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纳米发电机，是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机，是在纳米范围内将机械能转化成电能，是世界上最小的发电机。目前纳米发电机可以分为3类。

一类是压电纳米发电机，压电纳米发电机是利用特殊纳米材料（氧化锌）的压电性能与半导体性能，把弯曲和压缩的机械能转变为电能的微型发电机。还有一类是摩擦纳米发电机，摩擦发电机利用了两种对电子束缚能力不同的材料，相互接触时得失电子而在外电路产生电流的微型电机。目前主要有四种模式，垂直接触分离，平面滑动式，单电极式，独立层式。第三类为热释电纳米发电机。

能源是一个国家经济增长和社会向前发展的动力，虽然近些年来，中国在发展水电站、光伏发电以及可控核聚变等新的能源体系，但是我国在微观发电领域也有探索。2006年，中国科学院外籍院士王中林利用纳米材料成功研制出了世界最小的发电机，同时也是这项发明让他获得的2019年的阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖，要知道这还是第一次华人荣获了这个奖项。

一般传统的发电装置都是一些体积比较大的发电厂和核反应堆等，利用纳米材料来发电这还是第一次。纳米发电机的问世，打破了人们对“发电机”尺寸的认知界限。

什么是纳米发电机？

纳米发电机是一种配有氧化锌纳米线的发电机，这种发电机能够对环境中微小机械能进行收集并转化为电能。例如：空气的流动、机器或人引起各种频率的噪音甚至是生物体内呼吸运动、心跳和血液中某处的压力变化等这些现象都能带动纳米发电机运转产生电能。

纳米发电机如何工作？

其实原理就是压电效应，以王中林院士研究氧化锌为例，这是一个非中心对称材料。由于锌带的是正电，氧带的是负电，在不存在外部压力的情况下，两边的正负电荷中心重合，正负电荷相互抵消，使得纳米材料不带电。但纳米材料在环境中感觉到压力的微小变化，会使正反两面的材料中心发生偏移，产生电势差，即称为发电。

纳米发电的未来应用前景

虽然纳米材料一次发生的电量较少，但是积少成多，其应用前景还是非常广泛的，其中在医学和海洋蓝色能源技术上都有比较大的应用。

王中林带领团队成功研制了“摩擦纳米发电机”，这装置能够将人体各种摩擦动作产生的能量收集起来，并转化为电能。

此外，还有一款植入式的心脏起搏器，这个装置能从人体心脏跳动过程中产生电能，从而避免了病人要更换电池产生的手术之苦。

未来纳米发电很有可能会在海洋中投入使用，利用海浪冲击形成线圈对磁感线的切割来产生电能。因为这种蓝色能源与传统的绿色能源相比，有着地理上的优势，海洋中有着大量的能源等待着人类开发，如果这一技术的成熟运用，将会大大缓解用电压力。

美国《科学》报道，美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等成功地在纳米尺度下将机械能转换成电能，在世界上首次研制成功纳米发电机。正在北京的王中林在接受《科学时报》采访时说，“这是我在这个研究领域10多年最让我激动的发明。”他认为这是国际纳米领域的最让人激动的重大发现，它一定会引起整个纳米学界对纳米电源方面研究的巨大热潮。作为佐治亚理工学院校董事讲座教授和工学院杰出讲座教授，王中林同时也是北京大学工学院先进材料和纳米技术系系主任、中国国家纳米科学中心海外主任，这项工作是他和博士生宋金会共同完成的。王中林认识到氧化锌独特的半导体、光学和生物学性能，具有其它纳米材料不可替代的作用，因此，他的研究小组一直致力于以氧化锌为基础的纳米材料的合成和应用研究。2001年，他们在《科学》杂志上报告首次合成氧化锌半导体材料带，这篇论文已被引用1100多次。之后，他们又研制出纳米环、纳米螺旋等器件。王中林相信纳米发电机无论在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都将有广泛的重要应用。他说：“这一发明可以整合纳米器件，实现真正意义上的纳米系统，它可以收集机械能，比如人体运动、肌肉收缩等所产生的能量；震动能，比如声波和超声波产生的能量；流体能量，比如体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，从而让无纳米器件或纳米机器人实现能量自供。”鞋内装上一个纳米发电机，人们一边走路一边便可给手机或者MP3播放器充电。在不久的将来，这将有望成为现实。王中林还表示，单个的纳米发电机虽然研发出来了，但其毕竟功率有限。未来真正投入使用的话，必须要有大量的纳米发电机共同工作，组成一个发电机组。因此，课题组下一步的工作便是要想办法研发出多个纳米发电机联合发电的装置。●链接王中林教授于1982年毕业于西安电子科技大学，并于同年考取中美联合招收的物理研究生(CUSPEA)，1987年获亚利桑那州立大学物理学博士学位，现任美国佐治亚理工学院纳米科学和技术中心主任，是国内外著名的纳米技术专家。王中林教授已在国际一流刊物上发表期刊论文400余篇，会议论文140余篇，拥有专利8项，出版4本专著和15本编辑书籍。王中林教授因其对“纳米技术领域的材料科学以及基础发展做出的杰出及持续的贡献”，2002年当选为欧洲科学院院士，2004年当选为世界创新基金会院士，2005年当选为美国物理学会院士。王中林教授是从1992年到2002年10年中纳米科技论文被引用次数世界个人排名前25位作者之一。

能源是一个国家经济增长和社会向前发展的动力，虽然近些年来，中国在发展水电站、光伏发电以及可控核聚变等新的能源体系，但是我国在微观发电领域也有探索。2006年，中国科学院外籍院士王中林利用纳米材料成功研制出了世界最小的发电机，同时也是这项发明让他获得的2019年的阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖。纳米发电机是一种配有氧化锌纳米线的发电机，这种发电机能够对环境中微小机械能进行收集并转化为电能。例如：空气的流动、机器或人引起各种频率的噪音甚至是生物体内呼吸运动、心跳和血液中某处的压力变化等这些现象都能带动纳米发电机运转产生电能。能获得爱因斯坦世界科学家也是应该的。