納米發(fā)電機(jī)如何改變世界

在第二屆全球硬科技大會(huì)上，剛剛獲得能源領(lǐng)域“諾貝爾獎(jiǎng)”的中國(guó)科學(xué)院外籍院士、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)王中林，分享了他研究的新時(shí)代能源——納米發(fā)電機(jī)。

什么是新時(shí)代能源？

王中林院士稱，未來(lái)的能源是發(fā)散式、分布式、移動(dòng)式、不確定數(shù)目居多的能源的集成，這就是新時(shí)代能源?！拔覀兊哪茉床辉偈敲禾康染奂阅茉?，而是無(wú)序的發(fā)散性的小能源。例如手機(jī)?！比绾稳ソ鉀Q新時(shí)代的能源問(wèn)題，是王中林院士20年來(lái)的主要研究方向。

王中林院士還介紹了納米發(fā)電機(jī)與普通發(fā)電機(jī)的區(qū)別。

首先，普通發(fā)電機(jī)需要達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速才能產(chǎn)生電壓，而納米發(fā)電機(jī)依靠?jī)煞N材料接觸所起的靜電驅(qū)動(dòng)電子的流動(dòng)而產(chǎn)生電力。 其次，通常人們所說(shuō)的電流是傳導(dǎo)電流，而納米發(fā)電機(jī)是通過(guò)位移產(chǎn)生電流。例如，將納米發(fā)電機(jī)做在鞋墊里，我們走路就可以驅(qū)動(dòng)發(fā)光，也可以GPS定位，還可以健康康復(fù)。運(yùn)用在健康醫(yī)療上，納米發(fā)電機(jī)能夠利用小老鼠的呼吸來(lái)驅(qū)動(dòng)心臟起搏器，在未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)自己充電驅(qū)動(dòng)心臟起搏器。運(yùn)用在紡織品上，纖維和纖維之間可以通過(guò)納米發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)傳感，衣服稍微一動(dòng)，人便會(huì)感知。據(jù)王中林院士介紹，納米發(fā)電機(jī)還可以利用固體與液體界面的變化發(fā)電。

王中林院士透露，在未來(lái)，利用自然界的“藍(lán)色能源”也可實(shí)現(xiàn)發(fā)電。自然界的太陽(yáng)能、風(fēng)能、海浪能源都是巨大的，但是由于環(huán)境惡劣、價(jià)格高昂，目前還沒(méi)有得到有效利用。但是能量是晝夜存在的，比如網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)晝夜不停的發(fā)電廠，怎么回收這些能源呢？“我們正在研究利用球結(jié)構(gòu)中珠子的滾動(dòng)來(lái)讓電來(lái)回流動(dòng)。如果說(shuō)一個(gè)球能發(fā)10毫安電，山東省大小的面積一米深的水發(fā)的電將是中國(guó)總能耗的1.6太瓦，而且是很穩(wěn)定的直流輸出?！?/p>

納米發(fā)電機(jī)的另外一個(gè)領(lǐng)域就是驅(qū)動(dòng)傳感。

對(duì)于人工智能領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，最重要的就是如何傳感數(shù)據(jù)，王中林院士研發(fā)了一款自驅(qū)動(dòng)傳感裝置。例如，每個(gè)人敲字的動(dòng)作是不一樣的，力度也不一樣，利用自驅(qū)動(dòng)傳感裝置，對(duì)個(gè)人敲鍵盤的信號(hào)進(jìn)行分析，如果換到另外一個(gè)鍵盤，會(huì)立刻識(shí)別打字人的身份，準(zhǔn)確度達(dá)到97%。

“目前化石能源仍舊是我們固定應(yīng)用的能源，隨著分布式移動(dòng)式通訊的發(fā)展，可以通過(guò)有序的化石能源解決部分無(wú)序問(wèn)題，也可以用無(wú)序小能源解決無(wú)序問(wèn)題?！蓖踔辛衷菏勘硎荆S多納米發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的新技術(shù)已應(yīng)用于商業(yè)。“我們希望未來(lái)走向更多的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用?！?/p>

小Tips

埃尼獎(jiǎng)（Eni Award）是世界能源領(lǐng)域最權(quán)威、最負(fù)盛名的獎(jiǎng)項(xiàng)，與計(jì)算機(jī)界的圖靈獎(jiǎng)、數(shù)學(xué)界的菲爾茲獎(jiǎng)及沃爾夫獎(jiǎng)等并稱為領(lǐng)域性的最高獎(jiǎng)項(xiàng)。

王中林教授的獲獎(jiǎng)理由為“（王教授）開發(fā)了‘摩擦納米發(fā)電機(jī)’裝置，憑借這個(gè)裝置，自然中的能量，大到海洋中的波浪，小到肌肉收縮或者血液流動(dòng)，都可以被轉(zhuǎn)化為高產(chǎn)的電能，這極大地拓展了能源提取及生成的可能覆蓋范圍”。

摩擦起電大概是從古希臘時(shí)人們就知道的物理現(xiàn)象，但是直到現(xiàn)在也常常被認(rèn)為是一種負(fù)面效應(yīng)而被極力避免。

2012年王中林教授及其團(tuán)隊(duì)首先發(fā)明了摩擦納米發(fā)電機(jī)（triboelectric nanogenerator，后簡(jiǎn)稱 TENG），利用摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)的耦合將微弱的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。其可以在低頻條件下（< 5～10Hz）產(chǎn)生其他同類技術(shù)無(wú)法比擬的效能。這樣，日常生活中往往被浪費(fèi)掉的各種機(jī)械能，將可以被收集起來(lái)并轉(zhuǎn)化成電能。

TENG 具有四種基本的工作模式，分別為：(a) 垂直接觸-分離模式， (b) 水平滑動(dòng)模式， (c) 單電機(jī)模式，(d)自支撐摩擦電層模式。

圖|TENG 的四種基本工作模式（來(lái)源：參考）

基于上面的四種模式，王中林教授及團(tuán)隊(duì)制備了不同結(jié)構(gòu)的 TENG，用以收集不同形式的機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。

圖|通過(guò) TENG 收集腳踏能量點(diǎn)亮 LED 燈泡（來(lái)源：參考）

TENG 因其輸出率高、重量輕、成本低、易制造且體積小的優(yōu)勢(shì)，有著廣闊的商業(yè)化前景，還可以通過(guò)跟其他電池、能源技術(shù)相結(jié)合，將我們身邊浪費(fèi)掉的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，從而滿足我們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的能源需求。