沈陽電機回收專題在納米尺度范圍內將機械能轉換成電能世界最小發電機問世
| 本報北京4月13日訊，美國佐治亞理工學院教授王中林等在4月14出版的《科學》雜志上報告說，他們成功地在納米尺度范圍內將機械能轉換成電能，研制出世界上最小的發電機——納米發電機。國際納米技術領軍人物、哈佛大學教授Charles Lieber說：“該論文所描述的工作極其令人振奮，因為它提出了解決納米技術中一個關鍵問題的方案，那就是如何為許多研究組發明的納米器件提供電力的問題。王教授利用他先創的氧化鋅納米線將機械能轉化為電能，在這個問題上顯示了他巨大的創造性。”美國西北太平洋國家實驗室的材料學家劉俊說：“這是納米技術領域的一項重大突破，它的影響將是深刻的、深遠的。” 正在北京的王中林在接受《科學時報》采訪時說，“這是我在這個研究領域10多年最讓我激動的發明”。 他認為這是國際納米領域最讓人激動的重大發現，它一定會引起整個納米學界對納米電源方面研究的巨大熱潮。 作為佐治亞理工學院校董事講座教授和工學院講座教授，王中林同時也是北京大學工學院先進材料和納米技術系主任、中國國家納米科學中心海外主任，這項工作是他和博士生宋金會共同完成的。 因為具有尺寸微小、功耗小、反應靈敏等宏觀器件所不具有的獨特優勢，納米器件一直是納米學術界最前沿、最活躍的領域。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，而只有實現了自帶電源的納米器件才可被視為真正的納米系統。又因為納米系統具有微小而且可植入體內等特性，所以它的供電系統必須是小型化的。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。 發電是需要能量的。人在走路、呼吸時會產生能量，那么能否將人體自身產生的能量轉化為納米器件所需要的電能？王中林想到了這個主意，他說：“如果有一種微型的裝置能將生物體內的生物能量轉化為電能輸送給納米器件，同步實現器件和電源的小型化，是最為理想的事。” 王中林和宋金會利用豎直結構的氧化鋅納米線的獨特性質，在原子力顯微鏡下研制出將機械能轉化為電能的納米發電機，這是目前世界上最小的發電裝置。王中林解釋說，壓電效應是一種由材料中的力學形變而導致的電荷極化的效應，它是實現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，可以在納米線內外部分別造成壓縮和拉伸；豎直生長的氧化鋅是纖鋅礦結構，同時具有半導體性能和壓電效應。氧化鋅納米線的這種獨特結構導致了彎曲納米線的內外表面產生極化電荷，他們用導電原子力顯微鏡的探針彎曲單個氧化鋅納米線，輸入機械能，再利用氧化鋅的半導體性質將其納米線的壓電特性耦合起來，從而將電能暫時儲存在納米線內，然后再用導電的原子力顯微鏡探針接通這一電源，向外界輸電，從而完美地實現了納米尺度的發電功能。他說：“更重要的是，這一納米發電機竟然能達到17％能30％的發電效率，為自發電的納米器件奠定了物理基礎。” 王中林早在七年前就認識到氧化鋅獨特的半導體、光學和生物學性能，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的納米材料的合成和應用研究。2001年，他們在《科學》雜志上報告首次合成氧化鋅半導體材料帶，這篇論文已被引用1100多次。之后，他們又研制出納米環、納米螺旋等器件。 王中林相信納米發電機無論在生物醫學、軍事、無線通信和無線傳感方面都將有廣泛的重要應用。他說：“這一發明可以整合納米器件，實現真正意義上的納米系統，它可以收集機械能，比如人體運動、肌肉收縮、血液流動等所產生的能量；震動能，比如聲波和超聲波產生的能量；流體能量，比如體液流動、血液流動和動脈收縮產生的能量，并將這些能量轉化為電能提供給納米器件。這一納米發電機所產生的電能足夠供給納米器件或系統所需，從而讓納米器件或納米機器人實現能量自供。” 基于規則的氧化鋅納米線的納米發電機。（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）在導電的原子力顯微鏡針尖作用下，納米線利用壓電效應發電的示意圖。 （C）當原子力顯微鏡探針掃過納米線陣列時，壓電電荷釋放的三維電壓/電流信號圖。 |