在納米尺度范圍內(nèi)世界最小發(fā)電機問世

http://www.zjgsdgs.cn 2015年09月19日

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(nèi)將機械能轉換成電能，研制出世界上最小的發(fā)電機——納米發(fā)電機。國際納米技術領軍人物、哈佛大學教授CharlesLieber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(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械能轉化為電能，在這個問題上顯示了他巨大的創(chuàng)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(fā)明”。他認為這是國際納米領域最讓人激動的重大發(fā)現(xiàn)，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(yōu)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(xiàn)了自帶電源的納米器件才可被視為真正的納米系統(tǒng)。又因為納米系統(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、呼吸時會產(chǎn)生能量，那么能否將人體自身產(chǎn)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(nèi)的生物能量轉化為電能輸送給納米器件，同步實現(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(fā)電機，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(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(nèi)外表面產(chǎn)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(nèi)，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(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)電機竟然能達到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。”

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