纳米发电机
——世界上最小的发电机
程 帅
◇ 北京
2019年6月14日,2019年度阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖颁给了华裔科学家王中林院士,王院士也成为首位获此殊荣的华人科学家．早在2006年，王院士就已经研制成功了纳米发电机——世界上最小的发电机,他本人被誉为世界纳米发电机之父．当你听到纳米发电机的时候可能会感到不可思议,纳米量级的发电机是怎么实现的呢?
图 1
传统发电机的工作原理实质是通过电磁感应把其他形式的能量转化成电能．如图2所示,转动的线圈称为转子,磁体称为定子．外部能源驱动线圈在转动过程中切割磁感线,穿过线圈的磁通量发生改变,产生感应电动势,在闭合的线圈内产生电流．根据能源的不同,传统发电机可以分为水力发电机、火力发电机、核能发电机等．由于发电机包括转子、定子、轴承等结构(实物图如图3),很难想象能将其做到纳米量级那么小．
图 2
图 3
纳米发电机有很多种.首先，我们来分析一下摩擦纳米发电机.我们知道，机械轴承在运转时会产生摩擦磨损器件,需要通过涂抹润滑油等方式减小摩擦和能量损耗．冬季脱毛衣或者用梳子梳头时常常会有“刺啦”的响声,这实际是静电．在生活中有很多类似的场景都伴随着能量的浪费．王中林院士就是根据摩擦起电和静电效应的耦合,利用麦克斯韦位移电流原理把生活中这些微小的能量转化成电能的,而这种发电机则称为摩擦纳米发电机．
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第二种是压电纳米发电机．它主要是利用氧化锌的压电效应和半导体特性研制的．一些特殊材料在某固定方向受到外力时内部会产生电极化现象,在某两个侧面上聚集正、负电荷;当外力撤销时,这种材料又恢复到原来的不带电状态．通过控制外力大小改变材料中电荷的极化程度,进而改变电场,也就控制住了电路中电子的运动,实现电能的转化．
A组中，整粒种子燃烧时，集中燃烧而散发到周围空间的热量较多，直接加热试管的热量相对就少了，所以A组误差比较大。B组在罐内燃烧时，由于易拉罐的局部空间限制，热量散失相对较少，测量得到数值就较高些。C组中，用锡纸材料，一方面隔热效果好，减少热量散失；另一方面，近年来流行锡纸花甲，所以材料也很好找。不过，笔者所使用的锡纸的厚度更大，从实验数据可以看出效果更好。D组最大限度的减少误差，虽然想过用泡沫剂，不过学生不易找材料就放弃了。
还有一种是热释电纳米发电机．它是基于某些材料(如ZnO )在受热时发生形变,引起材料内部产生电势差,进而驱动外电路中电子运动．
如今世界上应用的主要能源还是化石燃料,这种能源不可再生并且处于即将枯竭的境地．虽然海洋覆盖了地球上70%的区域,蕴含的能量难以计数,然而受传统发电机自身重力及体积所限,对于这种蓝色能源的开采一直未能有所突破．摩擦纳米发电机体积小,将其做成球中套球的形式,内外球以不同的频率随着波浪一起左右晃动,可以有效地收集波浪中的能量．专家评价这一颠覆性的海洋能采集方式为世界能源的可持续性应用提供了可能,有望在不久的将来改变世界．
图 4
纳米发电机的研制成功,彻底突破了人类对于发电机尺寸极限的认识．它能够变废为宝,将生活中十分微小的低频能量收集并转化成电能，如说话时的声波、走路时的摩擦、水的流动、肌肉收缩时产生的能量等,可以说环境中任何微小的能量都能够被利用．基于这一设想,研究者认为可以收集心脏跳动的能量,把它转化成电能给心脏起搏器充电,实现自发电,可以使患者免受电池没电多次手术的痛苦．目前这一实验已经在猪体内获得成功,很快其他植入体内的医疗器械也有望不再需要电池了．把这一技术应用到其他小型电子器件,可以制造出自驱动的微纳系统,为实现物联网和传感网络以及大数据提供了理想的电源解决方案．也许在不久的将来,在鞋子里装个纳米发电机(如图4所示),人类就可以边走路边给手机充电,摆脱了需要外接电源给手机充电的麻烦．
③数据同步：配置了数据库服务器和应用服务器，实现车载数据与省指挥中心数据同步，提供装备大型应用系统的软硬件环境，极大地提高了应急指挥所指挥决策能力。
科学家对纳米发电的探索不止于此，最近电子科技大学张晓升课题组甚至把衣服做成了纳米发电机.人把这种衣服穿在身上,在伸腰、走路、运动时就实现了发电．既然纳米发电机在不同强度的摩擦和压力下可以产生大小不同的电流,反之,不同的电流就反映了不同大小的摩擦和压力,也就反映了引起其变化的相关物理量,如温度、加速度等．这又开拓了关于纳米发电机的一块新的研究领域．
虽然纳米发电机有着广泛的应用前景,然而想要规模化、市场化还存在两个主要问题:一是提高电能输出功率,二是实现可持续供电．当前围绕这两个问题,研究人员正在努力开展深入研究．研无止境,我们期盼着纳米发电机早日为我们的生活带来便利．
(作者单位：清华大学附属中学永丰学校)
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