2月14日出版的《自然》雜志發(fā)表文章說，著名材料學(xué)家王中林的研究小組繼前年和去年開發(fā)出直流納米發(fā)電機(jī)之后，在納米發(fā)電領(lǐng)域再次取得突破性進(jìn)展：通過在彈性纖維上生長(zhǎng)氧化鋅納米線，他們成功地將纖維的低頻震動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能。
王中林是國(guó)家納米中心海外主任、美國(guó)佐治亞理工學(xué)院校董事教授。從2006年開始，王中林小組相繼發(fā)明了納米發(fā)電機(jī)、直流發(fā)電機(jī)。在2006年他首次提出了壓電電子學(xué)(Piezotronics)的概念和新研究領(lǐng)域。由于氧化鋅具有獨(dú)特的半導(dǎo)體和壓電性質(zhì)，彎曲的氧化鋅納米線能在其拉伸的一面產(chǎn)生正電勢(shì)，壓縮的一面產(chǎn)生負(fù)電勢(shì)。氧化鋅半導(dǎo)體和金屬電極之間的肖特基勢(shì)壘則能控制電荷的積累與釋放，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化，并有效釋放。
2007年初，基于壓電電子學(xué)原理，王中林研究小組用超聲波帶動(dòng)納米線陣列運(yùn)動(dòng)，研制出能獨(dú)立從外界吸取機(jī)械能、并將之轉(zhuǎn)化為電能的納米發(fā)電機(jī)模型。在超聲波帶動(dòng)下，這種納米發(fā)電機(jī)已能產(chǎn)生上百納安的電流。但是，在實(shí)際環(huán)境中，機(jī)械能主要以低頻震動(dòng)形式存在，如空氣的流動(dòng)、引擎的震動(dòng)等。要讓納米發(fā)電機(jī)能廣泛應(yīng)用于各方面，一個(gè)關(guān)鍵的問題就是要降低納米發(fā)電機(jī)的響應(yīng)頻率，讓納米線陣列在幾個(gè)赫茲的低頻震動(dòng)下也能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，王中林教授和王旭東博士及秦勇博士組成研究小組。利用溶液化學(xué)方法，他們將氧化鋅納米線沿徑向均勻生長(zhǎng)在纖維表面，然而用兩根纖維模擬了將低頻震動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的這一過程。為了能實(shí)現(xiàn)電極與氧化鋅納米線之間的肖特基接觸，他們采用磁控濺射在一根纖維表面鍍了一層金膜作為電極，而另一根表面是未經(jīng)處理的氧化鋅納米線。當(dāng)兩根纖維在外力作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面鍍有金膜的氧化鋅納米線像無(wú)數(shù)原子力顯微鏡探針一樣，同時(shí)撥動(dòng)另外一根纖維上的氧化鋅納米線；所有這些氧化鋅納米線同時(shí)被彎曲、積累電荷，然后再將電荷釋放到鍍金的纖維上，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。
相對(duì)于之前的直流納米發(fā)電機(jī)，新成果實(shí)現(xiàn)了如下突破：首先，通過讓氧化鋅納米線在纖維之上生長(zhǎng)，為實(shí)現(xiàn)柔軟，可折疊的電源系統(tǒng)(如“發(fā)電衣”)等打下了基礎(chǔ)；其次，基于纖維的納米發(fā)電機(jī)能在低頻震動(dòng)下發(fā)電，這就使得步行、心跳等低頻機(jī)械能的轉(zhuǎn)化成為可能；再次，由于其合成方法簡(jiǎn)單，條件溫和，這就大大擴(kuò)展了基于氧化鋅納米線的納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍。根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他估計(jì)，如果能用這些纖維編織成布在極端優(yōu)化的條件下，每平方米這樣的布可能輸出大約20－80毫瓦的電能。
王中林說，目前這種由兩根纖維組成的納米發(fā)電機(jī)的輸出功率還很小，這主要是由于纖維的內(nèi)阻較大以及纖維之間接觸面積較小造成的。目前，他們正努力提高這種基于纖維的納米發(fā)電機(jī)的輸出能量。例如，通過在纖維上預(yù)先鍍一層導(dǎo)電材料然后生長(zhǎng)氧化鋅納米線，可以明顯降低納米發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻，進(jìn)而可提高纖維基納米發(fā)電機(jī)的輸出電流；也可以通過增加纖維的數(shù)量來提高納米發(fā)電機(jī)的輸出能量。
文章的審稿人認(rèn)為：“這是一項(xiàng)很有創(chuàng)意、具有突破性的研究......作者的思路是革命性的。”王中林認(rèn)為，新成果將為納米發(fā)電機(jī)在生物技術(shù)、納米器件、個(gè)人攜帶式電子設(shè)備以及國(guó)防技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用開拓了更為廣泛的空間。
“今天，納米科技已經(jīng)從早期對(duì)納米材料結(jié)構(gòu)和基本物理化學(xué)特性的研究，發(fā)展到利用納米材料的優(yōu)良特性有目的地制造納米器件，各種各樣的納米器件被紛紛制造出來，如納米傳感器、納米電動(dòng)機(jī)甚至納米機(jī)器人等。”王中林說，“但與此同時(shí)，為這些微型化、集成化的納米器件提供能量的仍是傳統(tǒng)電源，如電池。因此，迫切需要開發(fā)出納米尺度的電源系統(tǒng)，為納米器件的進(jìn)一步小型化、集成化提供基本能源。”
目前，已經(jīng)有BBC、NBC、PBS、《國(guó)家地理》等多家國(guó)際權(quán)威新聞媒體對(duì)這一重要的科學(xué)成果進(jìn)行了報(bào)道。 |
