高电压纳米发电机和自驱动纳米器件问世

　　(a)基于垂直于基片生长的纳米线所设计的纳米发电机((VING)。(b)基于平行于基片多行生长的纳米线所设计的纳米发电机(LING)。(c)基于一行平行于基片生长的氧化锌纳米线所组成的纳米发电机。(d)在微小形变下能产生1.2伏输出电压的纳米发电机的光学照片。

　　继2006年发明纳米发电机后，中国科学院外籍院士、美国佐治亚理工学院教授王中林小组最近开发出具有高电压输出的纳米发电机，并首次实现了基于全纳米线的自驱动纳米体系，新成果发表在3月28日在线出版的《自然—纳米技术》期刊上。

　　论文的三位审稿人对该工作给予高度评价：“该研究小组一直是致力于基于氧化锌纳米线的纳米新能源研究先驱，论文中报告的工作不仅是纳米发电机性能上的一大突破，也为纳米新能源的设计、装配和使用寿命的提高等提供了新方法和新思路……该工作是纳米科技创新的典范，将在未来自驱动的化学、生物、医学传感探测器等无线摇控的纳米器中发挥重要作用。”

　　自从发明纳米发电机后，王中林小组相继发明了超声波驱动直流纳米发电机、纤维纳米发电机，以及在柔性衬底上的低频率振动交流纳米发电机。然而，输出电压小一直是限制这些纳米发电机实际应用于纳米科技领域的一个瓶颈问题。为了攻克这一技术难题，小组成员徐升、秦勇和许晨等，在两年的时间里经过上千次实验，研制出基于竖直氧化锌纳米线阵列的多层交流发电机，以及基于水平氧化锌纳米阵列的多排交流发电机。其中，当三层竖直氧化锌纳米线阵列交流发电机相互串联连接时，输入电压可提高到0.243伏特。这个值接近二极管的阈门电压，使得输出电荷的储存成为可能。与此同时，运用低温水热分解方法，通过巧妙的实验设计和组装，研究小组在一般的柔性基底上成功合成出700余列生长方向和晶格取向都平行排列的水平氧化锌纳米阵列。这些水平纳米线相互串并联连接在一起，在仅仅0.19%的慢性形变下，就将输出电压提高到了1.26伏特。王中林认为，这一突破性进展将极大地推动纳米发电机在纳米科技领域的实际应用。

　　此外，在这两种不同构型的交流纳米发电机中，氧化锌纳米线的两端都与输出电机紧密接触，避免了纳米线与电极之间的摩擦和损耗，从而大大提高了发电机的稳定性和寿命。而交流纳米发电机被封装在弹性材料中，又大大拓展了它的工作环境和应用范围。王中林说，这种三维设计的多层纳米发电机也为未来大规模实际应用提供了一条可行的实施方案，如收集风能、潮汐能、引擎的转动、空调或其他机器运转时的机械能、人行走时肌肉的伸缩能或脚对地面的压缩能，甚至在人体内由于呼吸、心跳或血液流动带来的体内某处压力的细微变化而产生的机械能等。

　　早在2006年，王中林提出，提高纳米发电机输出电压和功率的最终目标就是实现纳米器件的自驱动化，即不需要外接电源或电池。如今，通过将一个基于氧化锌纳米线的pH传感器或者是紫外线传感器串联到一个基于氧化锌竖直纳米线阵列的交流发电机上，他的研究小组成功实现了基于全氧化锌纳米线的自驱动纳米体系。在这个纳米体系中，交流纳米发电机通过采集周围环境中的微小机械振动，为纳米传感器的持续工作提供电能。随着外界条件的变化，传感器自身的电阻相应变化，因而在电路中传感器两端的电压降也随着相应变化。这是实现自驱动纳米体系的关键一步。他说：“值得注意的是，研究中考察的纳米传感器只需要范围在20～40毫伏的电压即可工作。另外，实现基于全氧化锌纳米线的自驱动纳米体系，为将来实现可植入生物活体的自驱动纳米探测器提供了原始模型。这项原创性发明未来将在生物医学、国防和百姓生活中拥有广泛的应用前景。”