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

　　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

　　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》