在納米尺度范圍內(nèi)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能世界最小發(fā)電機(jī)問世
本報(bào)北京4月13日訊，美國佐治亞理工學(xué)院教授王中林等在4月14出版的《科學(xué)》雜志上報(bào)告說，他們成功地在納米尺度范圍內(nèi)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，研制出世界上最小的發(fā)電機(jī)——納米發(fā)電機(jī)。國際納米技術(shù)領(lǐng)軍人物、哈佛大學(xué)教授Charles Lieber說：“該論文所描述的工作極其令人振奮，因?yàn)樗岢隽私鉀Q納米技術(shù)中一個(gè)關(guān)鍵問題的方案，那就是如何為許多研究組發(fā)明的納米器件提供電力的問題。王教授利用他先創(chuàng)的氧化鋅納米線將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，在這個(gè)問題上顯示了他巨大的創(chuàng)造性。”美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室的材料學(xué)家劉俊說：“這是納米技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，它的影響將是深刻的、深遠(yuǎn)的。”
正在北京的王中林在接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》采訪時(shí)說，“這是我在這個(gè)研究領(lǐng)域10多年最讓我激動(dòng)的發(fā)明”。 他認(rèn)為這是國際納米領(lǐng)域最讓人激動(dòng)的重大發(fā)現(xiàn)，它一定會(huì)引起整個(gè)納米學(xué)界對(duì)納米電源方面研究的巨大熱潮。
作為佐治亞理工學(xué)院校董事講座教授和工學(xué)院講座教授，王中林同時(shí)也是北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)材料和納米技術(shù)系主任、中國國家納米科學(xué)中心海外主任，這項(xiàng)工作是他和博士生宋金會(huì)共同完成的。
因?yàn)榫哂谐叽缥⑿ ⒐男?、反?yīng)靈敏等宏觀器件所不具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，納米器件一直是納米學(xué)術(shù)界最前沿、最活躍的領(lǐng)域。如果能真正讓這些微小器件工作起來，那么必須要給它們輸入電能，而只有實(shí)現(xiàn)了自帶電源的納米器件才可被視為真正的納米系統(tǒng)。又因?yàn)榧{米系統(tǒng)具有微小而且可植入體內(nèi)等特性，所以它的供電系統(tǒng)必須是小型化的。不過，目前的研究只是集中于納米器件的本身，而沒有考慮為這些納米器件輸入電源的問題。
發(fā)電是需要能量的。人在走路、呼吸時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量，那么能否將人體自身產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為納米器件所需要的電能？王中林想到了這個(gè)主意，他說：“如果有一種微型的裝置能將生物體內(nèi)的生物能量轉(zhuǎn)化為電能輸送給納米器件，同步實(shí)現(xiàn)器件和電源的小型化，是最為理想的事。”
王中林和宋金會(huì)利用豎直結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米線的獨(dú)特性質(zhì)，在原子力顯微鏡下研制出將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的納米發(fā)電機(jī)，這是目前世界上最小的發(fā)電裝置。王中林解釋說，壓電效應(yīng)是一種由材料中的力學(xué)形變而導(dǎo)致的電荷極化的效應(yīng)，它是實(shí)現(xiàn)力電耦合和傳感的重要物理過程，而氧化鋅納米線有容易彎曲的特性，可以在納米線內(nèi)外部分別造成壓縮和拉伸；豎直生長的氧化鋅是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有半導(dǎo)體性能和壓電效應(yīng)。氧化鋅納米線的這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了彎曲納米線的內(nèi)外表面產(chǎn)生極化電荷，他們用導(dǎo)電原子力顯微鏡的探針彎曲單個(gè)氧化鋅納米線，輸入機(jī)械能，再利用氧化鋅的半導(dǎo)體性質(zhì)將其納米線的壓電特性耦合起來，從而將電能暫時(shí)儲(chǔ)存在納米線內(nèi)，然后再用導(dǎo)電的原子力顯微鏡探針接通這一電源，向外界輸電，從而完美地實(shí)現(xiàn)了納米尺度的發(fā)電功能。他說：“更重要的是，這一納米發(fā)電機(jī)竟然能達(dá)到17％能30％的發(fā)電效率，為自發(fā)電的納米器件奠定了物理基礎(chǔ)。”
王中林早在七年前就認(rèn)識(shí)到氧化鋅獨(dú)特的半導(dǎo)體、光學(xué)和生物學(xué)性能，具有其他納米材料不可替代的作用，因此，他的研究小組一直致力于以氧化鋅為基礎(chǔ)的納米材料的合成和應(yīng)用研究。2001年，他們?cè)凇犊茖W(xué)》雜志上報(bào)告首次合成氧化鋅半導(dǎo)體材料帶，這篇論文已被引用1100多次。之后，他們又研制出納米環(huán)、納米螺旋等器件。
王中林相信納米發(fā)電機(jī)無論在生物醫(yī)學(xué)、軍事、無線通信和無線傳感方面都將有廣泛的重要應(yīng)用。他說：“這一發(fā)明可以整合納米器件，實(shí)現(xiàn)真正意義上的納米系統(tǒng)，它可以收集機(jī)械能，比如人體運(yùn)動(dòng)、肌肉收縮、血液流動(dòng)等所產(chǎn)生的能量；震動(dòng)能，比如聲波和超聲波產(chǎn)生的能量；流體能量，比如體液流動(dòng)、血液流動(dòng)和動(dòng)脈收縮產(chǎn)生的能量，并將這些能量轉(zhuǎn)化為電能提供給納米器件。這一納米發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能足夠供給納米器件或系統(tǒng)所需，從而讓納米器件或納米機(jī)器人實(shí)現(xiàn)能量自供。”
基于規(guī)則的氧化鋅納米線的納米發(fā)電機(jī)。（A）在氧化鋁襯底上生長的氧化鋅納米線的掃描電子顯微鏡圖像。 （B）在導(dǎo)電的原子力顯微鏡針尖作用下，納米線利用壓電效應(yīng)發(fā)電的示意圖。 （C）當(dāng)原子力顯微鏡探針掃過納米線陣列時(shí)，壓電電荷釋放的三維電壓/電流信號(hào)圖。
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