王中林小组研制出纤维纳米发电机

有关成果发表于2月14日出版的《自然》杂志

从2006年开始，王中林小组相继发明了纳米发电机、直流发电机。在2006年他首次提出了压电电子学(Piezotronics)的概念和新研究领域。由于氧化锌具有独特的半导体和压电性质，弯曲的氧化锌纳米线能在其拉伸的一面产生正电势，压缩的一面产生负电势。氧化锌半导体和金属电极之间的肖特基势垒则能控制电荷的积累与释放，从而实现机械能到电能的转化，并有效释放。
 
2007年初，基于压电电子学原理，王中林研究小组用超声波带动纳米线阵列运动，研制出能独立从外界吸取机械能、并将之转化为电能的纳米发电机模型。在超声波带动下，这种纳米发电机已能产生上百纳安的电流。但是，在实际环境中，机械能主要以低频震动形式存在，如空气的流动、引擎的震动等。要让纳米发电机能广泛应用于各方面，一个关键的问题就是要降低纳米发电机的响应频率，让纳米线阵列在几个赫兹的低频震动下也能将机械能转化为电能。
 
为了实现这一目标，王中林教授和王旭东博士及秦勇博士组成研究小组。利用溶液化学方法，他们将氧化锌纳米线沿径向均匀生长在纤维表面，然后用两根纤维模拟了将低频震动转化为电能的这一过程。为了能实现电极与氧化锌纳米线之间的肖特基接触，他们采用磁控溅射在一根纤维表面镀了一层金膜作为电极，而另一根表面是未经处理的氧化锌纳米线。当两根纤维在外力作用下发生相对运动时，表面镀有金膜的氧化锌纳米线像无数原子力显微镜探针一样，同时拨动另外一根纤维上的氧化锌纳米线；所有这些氧化锌纳米线同时被弯曲、积累电荷，然后再将电荷释放到镀金的纤维上，实现了机械能到电能的转换。
 
相对于之前的直流纳米发电机，新成果实现了如下突破：首先，通过让氧化锌纳米线在纤维之上生长，为实现柔软，可折叠的电源系统（如“发电衣”）等打下了基础；其次，基于纤维的纳米发电机能在低频震动下发电，这就使得步行、心跳等低频机械能的转化成为可能；再次，由于其合成方法简单，条件温和，这就大大扩展了基于氧化锌纳米线的纳米发电机的应用范围。根据目前的实验数据，他估计，如果能用这些纤维编织成布在极端优化的条件下，每平方米这样的布可能输出大约20－80毫瓦的电能。

图：(a)低倍扫描电子显维照片显示两个互相缠绕的、表明长有氧化锌纳米线阵列的纤维，其中一个镀有金。(b)高倍扫描电子显维照片显示两纤维界面处的纳米线对纳米线结构。(c)显示多根纤维组成的纤维纳米发电机的串/并连式连接来提高输出电压/电流。(图片来源：王中林实验室)

王中林说，目前这种由两根纤维组成的纳米发电机的输出功率还很小，这主要是由于纤维的内阻较大以及纤维之间接触面积较小造成的。目前，他们正努力提高这种基于纤维的纳米发电机的输出能量。例如，通过在纤维上预先镀一层导电材料然后生长氧化锌纳米线，可以明显降低纳米发电机的内阻，进而可提高纤维基纳米发电机的输出电流；也可以通过增加纤维的数量来提高纳米发电机的输出能量。
 
文章的审稿人认为：“这是一项很有创意、具有突破性的研究……作者的思路是革命性的。”王中林认为，新成果将为纳米发电机在生物技术、纳米器件、个人携带式电子设备以及国防技术等领域的应用开拓更为广泛的空间。
 
“今天，纳米科技已经从早期对纳米材料结构和基本物理化学特性的研究，发展到利用纳米材料的优良特性有目的地制造纳米器件，各种各样的纳米器件被纷纷制造出来，如纳米传感器、纳米电动机甚至纳米机器人等。”王中林说，“但与此同时，为这些微型化、集成化的纳米器件提供能量的仍是传统电源，如电池。因此，迫切需要开发出纳米尺度的电源系统，为纳米器件的进一步小型化、集成化提供基本能源。”
 
目前，已经有BBC、NBC、PBS、《国家地理》等多家国际权威新闻媒体对这一重要的科学成果进行了报道。
 
（《自然》（Nature），451, 809-813 (2008)，Yong Qin, Xudong Wang & Zhong Lin Wang）
 
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