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纳米发电机将使摩擦发电成真


摩擦生电,是个尽人皆知的事情,初中物理电学部分的第一课就是摩擦起电,而干燥环境下由于摩擦而造成的静电常常让人头疼不已。既然生活中摩擦无处不在,如何让这个令人厌烦的问题变成人见人爱的“正能量”?

  在不久前召开的以“纳米能源与压电(光)电子学发展前沿”为主题的第538次香山科学会议上,记者了解到,基于纳米能源与压电电子学理论而研发出来的摩擦纳米发电机,让摩擦发电不再是幻想。

  世上最小的发电机

  这种摩擦纳米发电机,其机械能转化效率是50%—80%,可以为微小电子器件、纳米机器人提供电力,使之真正实现自驱动

  纳米能源是指基于纳米技术和纳米材料的能源转换与能源存储技术。其实早在2007年4月出版的美国《科学》(Science)杂志上,就介绍了本次会议的执行主席、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林研究员研制的由超声波驱动的直流纳米发电机。而更早的2006年4月,一向对新方法、新理论十分热衷的《科学》杂志,也曾报道过王中林领导的小组首次在纳米(十亿分之一米)尺度范围内,将机械能转换成电能的研究成果。

  王中林当时研制的这个世界上最小的发电机,巧妙地利用了纳米线的半导体性能和压电效应: 通过外界环境震动,无论是超声波,还是人的行走、潮汐的运动,甚至心脏跳动(如果被植入人体内部的话),使得纳米线因机械运动所产生的动能传导,而产生微小的共振、摆动、变形,从而在表面积累起电荷,再由纳米线所附着的电极板输出电流。

  据测算,当时这种纳米发电机的发电效率可以达到17%—30%。要知道,现在最好的太阳能电池的实际发电效率也仅在20%上下。

  不过这样的发电效率依然不能令人满意。2011年,一个偶然的机会,王中林团队发现表面上修饰着纳米结构的塑料薄膜,互相摩擦产生的静电电压电流是过去用压电产生的几十倍,这个发现让他们兴奋异常。之后经过一年多的研究,使得输出功率提高了五个数量级。通过实验验证这种摩擦纳米发电机,其机械能转化效率是50%—80%,真是惊人啊!

  由于摩擦这一现象很普遍,在生活中无处不在,由此团队发明了四种模式,可以把接触、滑动等四种不同的状态转化成电能。这种摩擦纳米发电机由特殊设计具有纳米结构的高分子材料及其复合材料组成,辅以极少量的金属电极材料,造价低廉,成品轻盈,耐腐蚀,它可以为微小电子器件、纳米机器人提供电力,使之真正实现自驱动。

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