王中林小組研制出纖維納米發電機

有關成果發表于2月14日出版的《自然》雜志

從2006年開始，王中林小組相繼發明了納米發電機、直流發電機。在2006年他首次提出了壓電電子學(Piezotronics)的概念和新研究領域。由于氧化鋅具有獨特的半導體和壓電性質，彎曲的氧化鋅納米線能在其拉伸的一面產生正電勢，壓縮的一面產生負電勢。氧化鋅半導體和金屬電極之間的肖特基勢壘則能控制電荷的積累與釋放，從而實現機械能到電能的轉化，并有效釋放。
 
2007年初，基于壓電電子學原理，王中林研究小組用超聲波帶動納米線陣列運動，研制出能獨立從外界吸取機械能、并將之轉化為電能的納米發電機模型。在超聲波帶動下，這種納米發電機已能產生上百納安的電流。但是，在實際環境中，機械能主要以低頻震動形式存在，如空氣的流動、引擎的震動等。要讓納米發電機能廣泛應用于各方面，一個關鍵的問題就是要降低納米發電機的響應頻率，讓納米線陣列在幾個赫茲的低頻震動下也能將機械能轉化為電能。
 
為了實現這一目標，王中林教授和王旭東博士及秦勇博士組成研究小組。利用溶液化學方法，他們將氧化鋅納米線沿徑向均勻生長在纖維表面，然后用兩根纖維模擬了將低頻震動轉化為電能的這一過程。為了能實現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處理的氧化鋅納米線。當兩根纖維在外力作用下發生相對運動時，表面鍍有金膜的氧化鋅納米線像無數原子力顯微鏡探針一樣，同時撥動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被彎曲、積累電荷，然后再將電荷釋放到鍍金的纖維上，實現了機械能到電能的轉換。
 
相對于之前的直流納米發電機，新成果實現了如下突破：首先，通過讓氧化鋅納米線在纖維之上生長，為實現柔軟，可折疊的電源系統（如“發電衣”）等打下了基礎；其次，基于纖維的納米發電機能在低頻震動下發電，這就使得步行、心跳等低頻機械能的轉化成為可能；再次，由于其合成方法簡單，條件溫和，這就大大擴展了基于氧化鋅納米線的納米發電機的應用范圍。根據目前的實驗數據，他估計，如果能用這些纖維編織成布在極端優化的條件下，每平方米這樣的布可能輸出大約20－80毫瓦的電能。

圖：(a)低倍掃描電子顯維照片顯示兩個互相纏繞的、表明長有氧化鋅納米線陣列的纖維，其中一個鍍有金。(b)高倍掃描電子顯維照片顯示兩纖維界面處的納米線對納米線結構。(c)顯示多根纖維組成的纖維納米發電機的串/并連式連接來提高輸出電壓/電流。(圖片來源：王中林實驗室)

王中林說，目前這種由兩根纖維組成的納米發電機的輸出功率還很小，這主要是由于纖維的內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電機的輸出能量。例如，通過在纖維上預先鍍一層導電材料然后生長氧化鋅納米線，可以明顯降低納米發電機的內阻，進而可提高纖維基納米發電機的輸出電流；也可以通過增加纖維的數量來提高納米發電機的輸出能量。
 
文章的審稿人認為：“這是一項很有創意、具有突破性的研究……作者的思路是革命性的。”王中林認為，新成果將為納米發電機在生物技術、納米器件、個人攜帶式電子設備以及國防技術等領域的應用開拓更為廣泛的空間。
 
“今天，納米科技已經從早期對納米材料結構和基本物理化學特性的研究，發展到利用納米材料的優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、納米電動機甚至納米機器人等。”王中林說，“但與此同時，為這些微型化、集成化的納米器件提供能量的仍是傳統電源，如電池。因此，迫切需要開發出納米尺度的電源系統，為納米器件的進一步小型化、集成化提供基本能源。”
 
目前，已經有BBC、NBC、PBS、《國家地理》等多家國際權威新聞媒體對這一重要的科學成果進行了報道。
 
（《自然》（Nature），451, 809-813 (2008)，Yong Qin, Xudong Wang & Zhong Lin Wang）
 
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