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納米發電機 納米發電機是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。近日出版的英國《科學》報道，美國佐治亞理工學院教授、中國國家納米科學中心海外主任王中林等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。 
納米發電機 - 簡介
國際納米技術領軍人物、哈佛大學教授Charles Lieber說，“該工作極其令人振奮，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，在這個問題上他顯示了巨大的創造性。” 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的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杰出講座教授，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。 王中林早在7年前就認識到氧化鋅獨特的半導體、光學和生物學性能，具有其它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，從而讓無納米器件或納米機器人實現能量自供。” 鞋內裝上一個“納米發電機”，人們一邊走路一邊便可給手機或者MP3播放器充電。在不久的將來，這將有望成為現實。 王中林還表示，單個的納米發電機雖然研發出來了，但其畢竟功率有限。未來真正投入使用的話，必須要有大量的納米發電機共同工作，組成一個"發電機組"。因此，課題組下一步的工作便是要想辦法研發出多個納米發電機聯合發電的裝置。 專家預測，納米發電機在生物醫學、軍事、無線通信和無線傳感等領域將有廣泛的應用前景。這項發明可以整合納米器件，實現真正意義上的納米系統；可以收集機械能、震動能、流體能量，并將這些能量轉化為電能提供給納米器件；納米發電機產生的電能足夠讓納米器件或納米機器人實現能量自供。 納米發電機 - 研制過程
王中林和宋金會巧妙的利用豎直結構的氧化鋅納米線的獨特性質，在原子力顯微鏡的幫助下，研制出將機械能轉化為電能的世界上最小的發電裝置—納米發電機。他們利用氧化鋅納米線容易被彎曲的特性，在納米線內部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。壓電效應是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。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針尖去彎曲單個的氧化鋅納米線，輸入機械能。同時由于氧化鋅的半導體特性，他們巧妙地把這一特性和氧化鋅納米線的壓電特性耦合起來，用半導體和金屬的肖特基勢壘將電能暫時儲存在納米線內，然后用導電的原子力顯微鏡探針接通這一電源，并向外界輸電，從而完美的實現了納米尺度的發電功能。更重要的是這一納米發電機竟然能達到17%～30%的發電效率，為自發電的納米器件奠定了物理基礎。 他們具體的試驗設置及過程是：首先用高溫熱蒸發氣相沉積的方法在氧化鋁襯底上合成非常均勻規則的單晶納米線，由于晶格匹配，這些納米線都是垂直生長，具有規則的形貌（見圖A）， 而且和襯底結合的十分緊密。然后他們用金屬銀連通襯底的底部導電部分。同時，運用導電的原子力顯微鏡作為機械能輸入和電能的收集部分（見圖B）。彎曲并測量氧化鋅納米線的原子力顯微鏡探針針尖是鍍了白金的硅材料制成，即保證了彎曲納米線所需要的剛度同時也具備了良好的導電性。更重要的是這一設置使得納米線底部是金屬銀和半導體氧化鋅的連接，形成了歐母接觸(ohmic contact)，而針尖上白金和半導體氧化鋅的接觸形成了肖特基勢壘。正是由于這一巧妙的設置加上單晶氧化鋅納米線獨特的壓電性能，使得被彎曲拉長的氧化鋅納米線一面所產生的正偏壓電能不能釋放，實現了電荷的分離和電荷積累。當原子力顯微鏡的探針繼續掃過納米線頂部到納米線被壓縮部分時，由于壓縮部分的氧化鋅納米線一面是負電壓，積累的壓電電荷得到釋放，為外電路輸出電流（見圖C）。從而在世界上首次實現了納米尺度機械能轉化為電能的裝置—納米發電機。 納米發電機 - 意義
哈佛大學國際納米技術領軍人Charles Lieber 教授高度評價說“該工作是極其令人振奮的，因為它提出了解決納米技術中一個極其要害問題的方案，那就是如何來實現許多研究組所發明的納米器件的供電問題… 在認識和解決該重大科學和技術問題上王教授充分發揮了他的原創性，那就是利用他所先創的氧化鋅納米線來實現把力能轉換為電能” 王中林教授早在7年前就敏銳的認識到氧化鋅以其獨特的半導體、光學和生物特性具有其他納米材料不可替代的作用。他帶領他的科研小組，一直致力于氧化鋅為基礎的納米材料的合成和應用的研究，取得了令人矚目的一系列成果。2001年，他們首次合成氧化鋅半導體納米帶，當時Science周刊對這一重大科研成果的報道震動了整個納米學界，這篇重要文獻迄今已經被引用了1100多次。他近年來在Science上報道了一系列氧化鋅納米結構，例如納米環，納米螺旋等。而現在他的最近科研成果，納米發電機的發明勢必是納米科技界的最重大科研里程碑，其應用前景不可估量。 “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，比如人體的運動、肌肉的收縮、血液的流動；震動能，比如聲波、超聲波；甚至流體能量，比如體液的流動、血液的流動、動脈的收縮，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，從而實現自供能，無線納米器件和納米機器人”王中林教授說，“這是我在這個研究領域10多年最讓我激動的發明”。 這也是全世界納米領域的最讓人激動的重大發現，這一開創性的發明，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。 三五年內可為小型電子設備供電。如給iPod或者心臟起搏器充電。 納米發電機 - 可植入人體的納米發電機 科學家最新研究顯示，一種微型“納米發電機”可植入體內，從心臟跳動獲得能量，向動物活體內植入的傳感器提供電能，為體內低血糖等多種疾病狀況進行早期預警。 目前，科學家已成功地將“納米發電機”植入實驗老鼠體內，并從老鼠的心臟跳動中獲得電流。負責這項研究的是美國佐治亞理工學院王中林帶領的研究小組，他們認為納米發電機產生的電流可驅動活體內傳感器。 王中林指出，在納米等級建立的氧化鋅導線可作為壓電材料，該材料能夠將機械能轉化為電能。因此，他和同事們構建了一個柔韌性微型發電機，可將動物活體的呼吸或心臟跳動等自然機體行為轉變成為電能。 研究小組將氧化鋅導線放置在一個柔韌聚合物培養基，使得該納米線以不同的形式融入其中。他們將該裝置封裝在一個聚合物中屏蔽了體內液體，從而保證該裝置產生的任何電流都不受背景干擾。 研究人員使用組織黏合劑將這個長5毫米、寬2毫米的矩形裝置附著在老鼠的隔膜肌肉上，王中林說：“這種納米發電機非常小，你幾乎無法用肉眼能看到。”伴隨著每一次呼吸，納米導線將產生變形，從而產生2毫伏特潛電壓下4微微安培(picoamps)電流。 之后，研究人員在不同實驗老鼠的心臟植入類似的納米裝置，可產生3毫伏特潛電壓下30微微安培(picoamps)電流。雖然產生的電量非常小，研究人員希望能夠按比例輸出，這將足夠為單個植入型納米傳感器提供電能，比如：血壓傳感器或者葡萄糖傳感器。這些傳感器對于電流的需求適中，并且不要求持續的電流供給。 王中林稱，這種納米裝置能以任意方向捕捉活體內的機械能，因此它們不必以特定的陣列排列。他強調指出，動物活體的任何機械能都可轉化為電流，為納米傳感器提供動力。未來我們期望它們能夠進入人體臨床實驗階段，成為人體內真正的“微型發電機”。相關論文發表于《先進材料》[1]。 納米發電機 - 參考資料 [1] 搜狐 http://it.sohu.com/20090330/n263089508.shtml [2] 基金要聞 http://www.nsfc.gov.cn/nsfc/desktop/jjyw.aspx@infoid=8490.htm |
