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納米發(fā)電機(jī) 納米發(fā)電機(jī)是基于規(guī)則的氧化鋅納米線的納米發(fā)電機(jī)。(A)在氧化鋁襯底上生長(zhǎng)的氧化鋅納米線的掃描電子顯微鏡圖像。(B)在導(dǎo)電的原子力顯微鏡針尖作用下，納米線利用壓電效應(yīng)發(fā)電的示意圖。(C)當(dāng)原子力顯微鏡探針掃過(guò)納米線陣列時(shí)，壓電電荷釋放的三維電壓/電流信號(hào)圖。近日出版的英國(guó)《科學(xué)》報(bào)道，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院教授、中國(guó)國(guó)家納米科學(xué)中心海外主任王中林等成功地在納米尺度范圍內(nèi)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，研制出世界上最小的發(fā)電機(jī)——納米發(fā)電機(jī)。 
納米發(fā)電機(jī) - 簡(jiǎn)介
國(guó)際納米技術(shù)領(lǐng)軍人物、哈佛大學(xué)教授Charles Lieber說(shuō)，“該工作極其令人振奮，它提出了解決納米技術(shù)中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(wèn)題。王教授利用他先創(chuàng)的氧化鋅納米線將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，在這個(gè)問(wèn)題上他顯示了巨大的創(chuàng)造性。” 正在北京的王中林在接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)，“這是我在這個(gè)研究領(lǐng)域10多年最讓我激動(dòng)的發(fā)明。”他認(rèn)為這是國(guó)際納米領(lǐng)域的最讓人激動(dòng)的重大發(fā)現(xiàn)，它一定會(huì)引起整個(gè)納米學(xué)界對(duì)納米電源方面研究的巨大熱潮。 作為佐治亞理工學(xué)院校董事講座教授和工學(xué)院杰出講座教授，王中林同時(shí)也是北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)材料和納米技術(shù)系系主任、中國(guó)國(guó)家納米科學(xué)中心海外主任，這項(xiàng)工作是他和博士生宋金會(huì)共同完成的。 王中林早在7年前就認(rèn)識(shí)到氧化鋅獨(dú)特的半導(dǎo)體、光學(xué)和生物學(xué)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(chǔ)的納米材料的合成和應(yīng)用研究。2001年，他們?cè)凇犊茖W(xué)》雜志上報(bào)告首次合成氧化鋅半導(dǎo)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(huán)、納米螺旋等器件。 王中林相信納米發(fā)電機(jī)無(wú)論在生物醫(yī)學(xué)、軍事、無(wú)線通信和無(wú)線傳感方面都將有廣泛的重要應(yīng)用。他說(shuō)：“這一發(fā)明可以整合納米器件，實(shí)現(xiàn)真正意義上的納米系統(tǒng)，它可以收集機(jī)械能，比如人體運(yùn)動(dòng)、肌肉收縮等所產(chǎn)生的能量；震動(dòng)能，比如聲波和超聲波產(chǎn)生的能量；流體能量，比如體液流動(dòng)、血液流動(dòng)和動(dòng)脈收縮產(chǎn)生的能量，并將這些能量轉(zhuǎn)化為電能提供給納米器件。這一納米發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能足夠供給納米器件或系統(tǒng)所需，從而讓無(wú)納米器件或納米機(jī)器人實(shí)現(xiàn)能量自供。” 鞋內(nèi)裝上一個(gè)“納米發(fā)電機(jī)”，人們一邊走路一邊便可給手機(jī)或者M(jìn)P3播放器充電。在不久的將來(lái)，這將有望成為現(xiàn)實(shí)。 王中林還表示，單個(gè)的納米發(fā)電機(jī)雖然研發(fā)出來(lái)了，但其畢竟功率有限。未來(lái)真正投入使用的話，必須要有大量的納米發(fā)電機(jī)共同工作，組成一個(gè)"發(fā)電機(jī)組"。因此，課題組下一步的工作便是要想辦法研發(fā)出多個(gè)納米發(fā)電機(jī)聯(lián)合發(fā)電的裝置。 專家預(yù)測(cè)，納米發(fā)電機(jī)在生物醫(yī)學(xué)、軍事、無(wú)線通信和無(wú)線傳感等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用前景。這項(xiàng)發(fā)明可以整合納米器件，實(shí)現(xiàn)真正意義上的納米系統(tǒng)；可以收集機(jī)械能、震動(dòng)能、流體能量，并將這些能量轉(zhuǎn)化為電能提供給納米器件；納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能足夠讓納米器件或納米機(jī)器人實(shí)現(xiàn)能量自供。 納米發(fā)電機(jī) - 研制過(guò)程
王中林和宋金會(huì)巧妙的利用豎直結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米線的獨(dú)特性質(zhì)，在原子力顯微鏡的幫助下，研制出將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的世界上最小的發(fā)電裝置—納米發(fā)電機(jī)。他們利用氧化鋅納米線容易被彎曲的特性，在納米線內(nèi)部外部分別造成壓縮和拉伸。豎直生長(zhǎng)的氧化鋅是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有半導(dǎo)體性能和壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是由材料中的力學(xué)形變而導(dǎo)致的電荷極化的效應(yīng)，它是實(shí)現(xiàn)力電耦合和傳感的重要物理過(guò)程。氧化鋅納米線的這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了彎曲納米線的內(nèi)外表面產(chǎn)生極化電荷。他們用導(dǎo)電原子力顯微鏡的探針針尖去彎曲單個(gè)的氧化鋅納米線，輸入機(jī)械能。同時(shí)由于氧化鋅的半導(dǎo)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(lái)，用半導(dǎo)體和金屬的肖特基勢(shì)壘將電能暫時(shí)儲(chǔ)存在納米線內(nèi)，然后用導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了納米尺度的發(fā)電功能。更重要的是這一納米發(fā)電機(jī)竟然能達(dá)到17%～30%的發(fā)電效率，為自發(fā)電的納米器件奠定了物理基礎(chǔ)。 他們具體的試驗(yàn)設(shè)置及過(guò)程是：首先用高溫?zé)嵴舭l(fā)氣相沉積的方法在氧化鋁襯底上合成非常均勻規(guī)則的單晶納米線，由于晶格匹配，這些納米線都是垂直生長(zhǎng)，具有規(guī)則的形貌（見圖A）， 而且和襯底結(jié)合的十分緊密。然后他們用金屬銀連通襯底的底部導(dǎo)電部分。同時(shí)，運(yùn)用導(dǎo)電的原子力顯微鏡作為機(jī)械能輸入和電能的收集部分（見圖B）。彎曲并測(cè)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(shí)也具備了良好的導(dǎo)電性。更重要的是這一設(shè)置使得納米線底部是金屬銀和半導(dǎo)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(dǎo)體氧化鋅的接觸形成了肖特基勢(shì)壘。正是由于這一巧妙的設(shè)置加上單晶氧化鋅納米線獨(dú)特的壓電性能，使得被彎曲拉長(zhǎng)的氧化鋅納米線一面所產(chǎn)生的正偏壓電能不能釋放，實(shí)現(xiàn)了電荷的分離和電荷積累。當(dāng)原子力顯微鏡的探針繼續(xù)掃過(guò)納米線頂部到納米線被壓縮部分時(shí)，由于壓縮部分的氧化鋅納米線一面是負(fù)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(shí)現(xiàn)了納米尺度機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置—納米發(fā)電機(jī)。 納米發(fā)電機(jī) - 意義
哈佛大學(xué)國(guó)際納米技術(shù)領(lǐng)軍人Charles Lieber 教授高度評(píng)價(jià)說(shuō)“該工作是極其令人振奮的，因?yàn)樗岢隽私鉀Q納米技術(shù)中一個(gè)極其要害問(wèn)題的方案，那就是如何來(lái)實(shí)現(xiàn)許多研究組所發(fā)明的納米器件的供電問(wèn)題… 在認(rèn)識(shí)和解決該重大科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題上王教授充分發(fā)揮了他的原創(chuàng)性，那就是利用他所先創(chuàng)的氧化鋅納米線來(lái)實(shí)現(xiàn)把力能轉(zhuǎn)換為電能” 王中林教授早在7年前就敏銳的認(rèn)識(shí)到氧化鋅以其獨(dú)特的半導(dǎo)體、光學(xué)和生物特性具有其他納米材料不可替代的作用。他帶領(lǐng)他的科研小組，一直致力于氧化鋅為基礎(chǔ)的納米材料的合成和應(yīng)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(dǎo)體納米帶，當(dāng)時(shí)Science周刊對(duì)這一重大科研成果的報(bào)道震動(dòng)了整個(gè)納米學(xué)界，這篇重要文獻(xiàn)迄今已經(jīng)被引用了1100多次。他近年來(lái)在Science上報(bào)道了一系列氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，例如納米環(huán)，納米螺旋等。而現(xiàn)在他的最近科研成果，納米發(fā)電機(jī)的發(fā)明勢(shì)必是納米科技界的最重大科研里程碑，其應(yīng)用前景不可估量。 “這一發(fā)明可以整合納米器件，實(shí)現(xiàn)真正意義上的納米系統(tǒng)，它可以收集機(jī)械能，比如人體的運(yùn)動(dòng)、肌肉的收縮、血液的流動(dòng)；震動(dòng)能，比如聲波、超聲波；甚至流體能量，比如體液的流動(dòng)、血液的流動(dòng)、動(dòng)脈的收縮，并將這些能量轉(zhuǎn)化為電能提供給納米器件。這一納米發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能足夠供給納米器件或系統(tǒng)所需，從而實(shí)現(xiàn)自供能，無(wú)線納米器件和納米機(jī)器人”王中林教授說(shuō)，“這是我在這個(gè)研究領(lǐng)域10多年最讓我激動(dòng)的發(fā)明”。 這也是全世界納米領(lǐng)域的最讓人激動(dòng)的重大發(fā)現(xiàn)，這一開創(chuàng)性的發(fā)明，一定會(huì)引起整個(gè)納米學(xué)界對(duì)納米電源方面研究的巨大熱潮。 三五年內(nèi)可為小型電子設(shè)備供電。如給iPod或者心臟起搏器充電。 納米發(fā)電機(jī) - 可植入人體的納米發(fā)電機(jī) 科學(xué)家最新研究顯示，一種微型“納米發(fā)電機(jī)”可植入體內(nèi)，從心臟跳動(dòng)獲得能量，向動(dòng)物活體內(nèi)植入的傳感器提供電能，為體內(nèi)低血糖等多種疾病狀況進(jìn)行早期預(yù)警。 目前，科學(xué)家已成功地將“納米發(fā)電機(jī)”植入實(shí)驗(yàn)老鼠體內(nèi)，并從老鼠的心臟跳動(dòng)中獲得電流。負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的是美國(guó)佐治亞理工學(xué)院王中林帶領(lǐng)的研究小組，他們認(rèn)為納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流可驅(qū)動(dòng)活體內(nèi)傳感器。 王中林指出，在納米等級(jí)建立的氧化鋅導(dǎo)線可作為壓電材料，該材料能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。因此，他和同事們構(gòu)建了一個(gè)柔韌性微型發(fā)電機(jī)，可將動(dòng)物活體的呼吸或心臟跳動(dòng)等自然機(jī)體行為轉(zhuǎn)變成為電能。 研究小組將氧化鋅導(dǎo)線放置在一個(gè)柔韌聚合物培養(yǎng)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(gè)聚合物中屏蔽了體內(nèi)液體，從而保證該裝置產(chǎn)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(gè)長(zhǎng)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(shuō)：“這種納米發(fā)電機(jī)非常小，你幾乎無(wú)法用肉眼能看到。”伴隨著每一次呼吸，納米導(dǎo)線將產(chǎn)生變形，從而產(chǎn)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(shí)驗(yàn)老鼠的心臟植入類似的納米裝置，可產(chǎn)生3毫伏特潛電壓下30微微安培(picoamps)電流。雖然產(chǎn)生的電量非常小，研究人員希望能夠按比例輸出，這將足夠?yàn)閱蝹�(gè)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(duì)于電流的需求適中，并且不要求持續(xù)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(nèi)的機(jī)械能，因此它們不必以特定的陣列排列。他強(qiáng)調(diào)指出，動(dòng)物活體的任何機(jī)械能都可轉(zhuǎn)化為電流，為納米傳感器提供動(dòng)力。未來(lái)我們期望它們能夠進(jìn)入人體臨床實(shí)驗(yàn)階段，成為人體內(nèi)真正的“微型發(fā)電機(jī)”。相關(guān)論文發(fā)表于《先進(jìn)材料》[1]。 納米發(fā)電機(jī) - 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 |
