納米發(fā)電機(jī)三五年內(nèi)可為小型電子設(shè)備供電

 美國佐治亞理工大學(xué)學(xué)院材料科學(xué)和工程系教授王中林領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)表示，經(jīng)過長達(dá)5年的，他們的納米發(fā)電機(jī)能夠給傳統(tǒng)的小型電子設(shè)備提供電力，點(diǎn)亮一臺小型液晶顯示屏（LCD）。據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，這種納米發(fā)電機(jī)使用一排纖細(xì)的納米線從周圍環(huán)境中收集機(jī)械能，然后將其轉(zhuǎn)化為電能，給電子設(shè)備提供電力。

    除此之外，王中林和同事zui近在納米發(fā)電機(jī)領(lǐng)域還取得了其他一系列的進(jìn)步，包括發(fā)表在上周的《納米快報(bào)》網(wǎng)絡(luò)版上的更加簡單的納米發(fā)電機(jī)構(gòu)建技術(shù)，以及更早發(fā)表在《納米快報(bào)》和《自然·通信》上的研究成果等。

    王中林表示，盡管現(xiàn)在納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流低于諸如iPod或心臟起搏器等設(shè)備所需的電流，但是，三五年之內(nèi)，納米發(fā)電機(jī)就可以為iPod或者心臟起搏器充電。

    提高輸出電力

    納米發(fā)電機(jī)項(xiàng)目由美國國防部研究計(jì)劃局（DARPA）、美國*和美國國家科學(xué)基金會資助。2006年初，王中林在美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文指出，可通過由壓電材料合成的納米線將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并提出了納米發(fā)電機(jī)的原理。

    王中林的納米發(fā)電機(jī)主要依靠諸如氧化鋅等晶體材料中出現(xiàn)的壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)指晶體材料在機(jī)械壓力下可產(chǎn)生電勢。通過捕捉和收集氧化鋅納米線產(chǎn)生的電荷，能夠產(chǎn)生3伏電壓，大約300毫微安的電流。

    在的實(shí)驗(yàn)中，機(jī)械能來自于研究人員對位于兩個(gè)手指之間的一臺納米發(fā)電機(jī)的按壓動作。在其他情況下，機(jī)械能也可能來自心跳、徒步旅行者的鞋子踏在路上的重量、衣服在風(fēng)的吹拂下發(fā)出的沙沙聲等。

    王中林表示，通過簡化設(shè)計(jì)，使設(shè)備更加穩(wěn)定，并且將更多納米線產(chǎn)生的電力結(jié)合在一起，他們成功提高了納米線產(chǎn)生的電力，足以驅(qū)動液晶顯示屏、激光器、發(fā)光二極管等電子設(shè)備。

    在另一篇發(fā)表于《納米快報(bào)》的論文中，王中林和其他同事報(bào)告了另外一項(xiàng)提高納米發(fā)電機(jī)輸出電力的研究進(jìn)展。他們的方法包括兩個(gè)步驟：首先將垂直的氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移到一個(gè)聚合物接收襯底上以形成水平的納米線陣列，然后用平行的帶狀電極將所有納米線連接在一起。使用單層的這種結(jié)構(gòu)，研究人員產(chǎn)生了2.03伏特的開路電壓，并且獲得了每立方厘米約毫瓦特的zui高輸出能量密度。

    王中林表示，比起當(dāng)前的發(fā)電設(shè)備，納米發(fā)電機(jī)有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。它們不像許多壓電材料那樣需要有毒重金屬，這使其非常環(huán)保，而且嵌入到人體內(nèi)也不會對健康造成傷害。它們還可以在低于水的沸點(diǎn)的溫度，即低于標(biāo)準(zhǔn)電子元件所需的溫度下制成。此外，這種發(fā)電機(jī)“很有可能可以大批量”，這樣，它們就能夠“飛入尋常百姓家”，應(yīng)用于生活的各個(gè)方面。

    王中林指出，從2005年開始研究納米發(fā)電機(jī)到現(xiàn)在，納米發(fā)電機(jī)的輸出電力已經(jīng)大為提高，目前的納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流強(qiáng)度與一年前相比已經(jīng)提高了00倍。如果持續(xù)不斷地改進(jìn)技術(shù)，三五年內(nèi)，就可以將納米發(fā)電機(jī)真正應(yīng)用在保健設(shè)備、個(gè)人電子產(chǎn)品以及環(huán)境監(jiān)測設(shè)備上。

    簡化組配技術(shù)

    zui早的氧化鋅納米發(fā)電機(jī)使用固定在一個(gè)堅(jiān)硬襯底上的納米陣列，該納米陣列上部連接了一個(gè)金屬電極；而后來的納米發(fā)電機(jī)可將納米線兩端嵌入聚合物內(nèi)，通過簡單地彎曲納米線來產(chǎn)生電力。不考慮其線路布局，構(gòu)建出這樣的納米發(fā)電機(jī)不僅需要小心地“種植”納米線，而且還要進(jìn)行辛苦的組裝工作。

    在的論文中，王中林團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種更加簡單的裝配技術(shù)。首先，他們種植了一類新的納米線陣列，并將這些呈圓錐形納米線從襯底上切除，放入乙醇溶液中，隨后再將這種包含了納米線的溶液滴在一個(gè)細(xì)小的金屬電極和一塊柔軟的聚合物薄膜上。待乙醇揮發(fā)后，出現(xiàn)了一層新的納米線/聚合物層，zui后再利用大量的納米線/聚合物層組建成一類復(fù)合材料。王中林認(rèn)為，這種過程可以對納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行大規(guī)模的。

    得到的納米發(fā)電機(jī)大小約為2厘米×.5厘米，當(dāng)它被彎曲時(shí)，產(chǎn)生的電力足以點(diǎn)亮一個(gè)袖珍型計(jì)算器上的顯示屏。

    PZT納米線

    在另外一篇發(fā)表于《自然·通信》網(wǎng)絡(luò)版的論文中，王中林和其他同事報(bào)告了一種新方法——使用鋯鈦酸鉛（PZT）來裝配壓電納米線。PZT是將二氧化鉛、鋯酸鉛、鈦酸鉛在200攝氏度高溫下燒結(jié)而成的多晶體。

    研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了*可在導(dǎo)電和不導(dǎo)電襯底上的化學(xué)晶膜上生長的垂直式PZT單晶納米線陣列。演示過程中，通過使用一個(gè)整流電路把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，PZT納米發(fā)電機(jī)為一個(gè)激光二極管提供了電力，這表明，PZT也可以成為納米發(fā)電機(jī)的組成原料。

    王中林表示，盡管在發(fā)電方面PZT的表現(xiàn)不如氧化鋅好，但這種替代材料可讓研究人員根據(jù)需要靈活選擇的材料。

納米發(fā)電機(jī)三五年內(nèi)可為小型電子設(shè)備供電