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“纳米发电机之父”王中林: 未来走路也能发电!
时间:2018-11-20 11:52:11来源:未知

  10月22日,世界能源领域最高奖、被誉为“能源界诺贝尔奖”的埃尼奖被授予中科院北京纳米能源与系统研究所所长、中国科学院外籍院士王中林教授。

  王中林在埃尼奖颁奖现场

王中林在埃尼奖颁奖现场

  埃尼奖是世界能源领域最权威奖项,与计算机界图灵奖、数学界的菲尔兹奖及沃尔夫奖等并称为自然科学领域性的最高奖项。王中林院士成为获得埃尼奖的第一位华人科学家,他的一大成就就是发明了纳米发电机。英国《新科学家》杂志把纳米发电机评为影响未来、10~30年后有可能和手机具有同等重要性的十大重要技术之一。纳米发电机是如何发现的?这项成果将如何改变世界?王中林向记者进行了解答。

  文|广州日报全媒体记者 肖欢欢

  图|中科院北京纳米能源与系统研究所

  王中林院士是国际公认的纳米科学与技术领域的领军型科学家。他首次发明了纳米发电机和自驱动纳米系统技术,被誉为“纳米发电机之父”。

  将来走路心跳脉搏都可以发电

  王中林告诉记者,通过比头发丝还细的纤维丝长出极微小的纳米线,只要受到拉车、摩擦或微风吹拂就可以自行发电。这意味着,只要人穿上纳米材料制作的“发电衣”,通过运动,就能发电。根据模型估算,用这样的纤维制成的织物,每平方米输出功率可以达80毫瓦,足以为一块手机电池充电。“将来,只要我们穿着纳米纤维材料的衣服,就不用再为随身所带的电子设备没电而烦恼了,因为我们的衣服本身就可以发电。”

  他举例说,长满纳米线的纤维丝就像女士卷发用的发卷,将两个发卷平行放置,给其中一个镀上金属,从而和氧化锌形成类似二极管的导电效应。最后在马达的带动下,两个“发卷”相互错动摩擦,一拉一松,由于氧化锌的“压电效应”,纳米线的形变便能产生电能。

  王中林说,任何一项发明,如果它的应用成本很高,材料很难获取,那终究会影响它的推广价值。这一发明可以用来收集人体运动、肌肉收缩、血液流动、声波、超声波等所产生的能量,将其转化为电能提供给纳米器件,让纳米器件实现能量自供。这些昔日白白被浪费掉的能量都会被利用起来。发电效率达到17%-30%的,为自发电的纳米器件奠定了基础。

  其次,材料都是安全的,整过程无排放、无污染,堪称最具潜力的绿色发电。纳米发电机的重要性怎么强调都不为过。以前不论多小、多灵敏的元器件,都要加上一个尺寸较大的传统电源,就好比蚂蚁拉着一头大象。传统电源,比如电池,都需要定期更换。在未来的物联网时代,如果所有的移动终端,包括很多小器件,有些传感器比指甲盖还要小,如果它们都需要依赖电池充电的话,物联网就没法实现。

  纳米发电机将是电源领域革命性的一步,纳米器件的电力供应将从传统电源转变为纳米电源。其在生物医药、无线通信和无线传感等领域将有非常广泛的应用前景。它可以整合纳米器件,实现真正意义上的纳米系统:可以收集机械能、流体能量等转化为电能,提供给纳米器件,让纳米器件实现能量自供。这是解决未来能源问题的基石,也为物联网技术的实现提供了可能性。

  解决难题:对话,将机械能转化为电能

  记者:你是如何进入纳米研究领域的?

  王中林:1987年我从亚利桑那州立大学博士毕业后,在物质与电子交互作用这一基础物理领域工作了很长时间,主要从事弹性和非弹性散射理论研究。我还在高温超导方面做了很长时间研究。我决定转到纳米领域是因为我意识到我所从事的理论的局限性——我的研究可能不会有太大影响。于是我将全部时间投入到纳米研究,我在学生时代就从事透射电子显微镜研究,观测原子核极小尺度表面,所以,转向纳米研究也是很自然的选择。我博士论文做的就是纳米方面的,当时不叫纳米,叫small particle,小颗粒。可以说,我是从1983年开始做纳米研究的。

  记者:你为何在2000年调转了研究方向?

  王中林:我在碳纳米管方向上工作了三四年后,就开始思索这种纳米结构有多大应用前景。纳米管是金属还是半导体取决于其螺旋属性,由于当时人们很难控制纳米管的空间螺旋性,它的导电属性通常是随机出现。我当时想,为什么不用氧化物,后来我就开始用氧化锌了。氧化锌有很容易控制的结构,它是光学透明的半导体,具有压电性,即可以将机械信号转化为电信号或将电信号转化为机械信号,并且具有可控的形貌和结构,它还可以在50-80度的相对低温下合成,用化学烧杯就可以在任意形状的衬底上生长。它还具有生物相容性,也就是说对生物体是安全的,是绿色材料。

  王中林院士开创的纳米发电机及其自驱动系统的学科发展图
王中林院士开创的纳米发电机及其自驱动系统的学科发展图

  氧化锌是一项极其重要的材料。英国《物理世界》2008年曾刊文说,在物理范畴,氧化锌纳米材料是和暗物质、量子计算、半导体薄膜、碳纳米管具有同等重要的地位和影响。2008年全世界发表的有关氧化锌纳米结构的文章就超过了600篇,我2001年发表的氧化纳米带一文正是所有这些文章的开创篇。

  记者:氧化锌的研究和纳米发电机之间有何关联?

  王中林:纳米器件具有尺寸小、功率小、反应灵敏等优势。但之前所有研究都是集中在纳米器件本身,没考虑它的电源问题。这些微小器件工作必须要有电源,只有实现了自带电源的纳米器件才能被视为真正的纳米系统。这将在生物医学、军事、无线通信、无线传感等领域都有广泛应用。

  生活中机械能无处不在,走路的脚步、心脏的跳动、肌肉的拉伸、空气的流动、马路上的噪声、微风。能把这些能量转化成电能吗?2005年,我的学生宋金会发现了解决难题的方法。我们利用竖直结构的氧化锌纳米线的独特性,在原子力显微镜AFM的帮助下,研制出将机械能转化为电能的世界上最小的发电装置——纳米发电机。

  纳米发电机是新时代能源的基石

  记者:纳米发电机被视为划时代的科学发明,甚至被评为可以与手机发明具有同等重要性的技术。你如何看待它的重要性?

  王中林:纳米发电机的重要性我觉得怎么描述都不为过。它的发明不仅为实现能源系统的微型化带来了可能,更重要的是,对于实现具有完全无线,可生物植入,以及长时期甚至终生无需照管的纳米或微电子器件,纳米发电机提供了一种理想的电源系统。

  要使纳米发电机能广泛应用到各个方面,最重要的环节就是要降低纳米发电机的响应频率。我们利用溶液化学方法将氧化锌纳米线沿径向均匀生长在纤维表面,运用两根纤维模拟了将低频震动转化为电能的过程。这就为实现柔软、可折叠的电源系统,比如发电衣等打下了基础。

  我们利用交流纳米发电机的原理,实现了利用生物体活动带动的发电机。比如,微小的手指敲动和肢体运动来产生电能。将几个交流纳米发电机固定在一个弹性马甲上,穿在仓鼠身上,仓鼠的跑动来带动马甲的拉动,马甲的拉动又会拉升氧化锌纳米线,进而将这种跑动能量转化为电能。实验结果表明,在仓鼠跑动下工作的纳米发电机可以产生高达两百毫伏的电压。

  传统的发电机要求机械运动的强度必须大到足以带动转子的转动,所以只能用来收集比如人的退步运动等高强度的机械运动,但纳米发电机可以收集从低频到高频,从轻微运动到剧烈的机械能,并将其转化为电能。其次,通常我们说的电流是传导电流,而纳米发电机是通过位移产生电流。比如说,你穿一件这种材料的衣服,你在跑步、走路,你的衣服被微风吹动,你的衣服就能成为一个发电机,从而将你身体的各个健康指标传输出来。将这个做在鞋垫里面,人走路可以驱动发电,供给传感器和GPS,可以用于人体康复和定位。我们还可以将其集成进生物系统,用肌肉运动发电,用血液流动发电,还可以用声波、噪声、微风等发电。过去心脏起搏器需要定期更换电池,如今我们已经利用小白鼠的呼吸来驱动心脏起搏器,如果用到人体,仅通过呼吸就能够驱动心脏起搏器。某种程度上,你可以说,纳米发电机为解决新时代的能源问题提供了一种出路,它是新时代能源的基石。

  10月22日,意大利总统马塔雷拉为王中林(左一)颁发埃尼奖奖章

  记者:摩擦纳米发电机的发明是不是也具有偶然性?

  王中林:2011年,我让学生去做电纺丝仿压电材料发电,学生去做测时发现,以前输出电压本应该是1伏,但最近几次实验,输出电压竟然达到5伏以上。后来调查原因时发现,是学生在做纳米发电机的时候没有封装好所致。后来我对学生的实验进行了改进,发现,两种高分子材料相接触的过程中可以产生电,就发明了摩擦纳米发电机。摩擦发电装置简单、轻巧,在未来可以被应用于可穿戴设备、便携设备的充电等,还可以用作给做终端传感设备供电,在航天、通信领域都有很广泛的应用。

  记者:纳米发电机要转为应用,还需要做哪些工作?

  王中林:前几年我们一直在做的是提高纳米发电机的发电电压。如果我们可以达到零点几伏电压,比如0.5伏,它就会非常有用,就可以将其用于生物探测器,比如癌症探测器、血糖探测器等生物探测器。纳米新能源的产业化,正是我未来5年的工作方向,我预计,5年内纳米能源的利用会达到高峰。

  记者:你能取得这么大的成就,秘诀在哪里?

  王中林:一是不吃老本,时刻保持对新知识的饥饿感;二是坚持不懈,锲而不舍。做科研要把眼光放在未来的工作上。搞科研就像爬坡,直上直下有时很困难,盘旋着螺旋上升,绕一下反而会容易很多,换个思路讲短期的结果应用于其他领域,有时会产生“柳暗花明又一村”的惊喜。

  本文摘自:《广州日报》