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美國(guó)喬治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系納米技術(shù)專家王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組,最近發(fā)明了一種可以利用運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電力的新型纖維,這就是纖維納米發(fā)電機(jī),這是繼前年和去年開(kāi)發(fā)出直流納米發(fā)電機(jī)之后,中國(guó)科學(xué)家的又一次發(fā)明。
2月14日出版的《自然》雜志發(fā)表文章說(shuō),著名材料學(xué)家王中林的研究小組繼前年和去年開(kāi)發(fā)出直流納米發(fā)電機(jī)之后,在納米發(fā)電領(lǐng)域再次取得突破性進(jìn)展:通過(guò)在彈性纖維上生長(zhǎng)氧化鋅納米線,他們成功地將纖維的低頻震動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能。
王中林是國(guó)家納米中心海外主任、美國(guó)佐治亞理工學(xué)院校董事教授。從2006年開(kāi)始,王中林小組相繼發(fā)明了納米發(fā)電機(jī)、直流發(fā)電機(jī)。在2006年他首次提出了壓電電子學(xué)(Piezotronics)的概念和新研究領(lǐng)域。由于氧化鋅具有獨(dú)特的半導(dǎo)體和壓電性質(zhì),彎曲的氧化鋅納米線能在其拉伸的一面產(chǎn)生正電勢(shì),壓縮的一面產(chǎn)生負(fù)電勢(shì)。氧化鋅半導(dǎo)體和金屬電極之間的肖特基勢(shì)壘則能控制電荷的積累與釋放,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化,并有效釋放。
2007年初,基于壓電電子學(xué)原理,王中林研究小組用超聲波帶動(dòng)納米線陣列運(yùn)動(dòng),研制出能獨(dú)立從外界吸取機(jī)械能、并將之轉(zhuǎn)化為電能的納米發(fā)電機(jī)模型。在超聲波帶動(dòng)下,這種納米發(fā)電機(jī)已能產(chǎn)生上百納安的電流。但是,在實(shí)際環(huán)境中,機(jī)械能主要以低頻震動(dòng)形式存在,如空氣的流動(dòng)、引擎的震動(dòng)等。要讓納米發(fā)電機(jī)能廣泛應(yīng)用于各方面,一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題就是要降低納米發(fā)電機(jī)的響應(yīng)頻率,讓納米線陣列在幾個(gè)赫茲的低頻震動(dòng)下也能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),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(xué)方法,他們將氧化鋅納米線沿徑向均勻生長(zhǎng)在纖維表面,然而用兩根纖維模擬了將低頻震動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的這一過(guò)程。為了能實(shí)現(xiàn)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(jīng)處理的氧化鋅納米線。當(dāng)兩根纖維在外力作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),表面鍍有金膜的氧化鋅納米線像無(wú)數(shù)原子力顯微鏡探針一樣,同時(shí)撥動(dòng)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(shí)被彎曲、積累電荷,然后再將電荷釋放到鍍金的纖維上,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。
相對(duì)于之前的直流納米發(fā)電機(jī),新成果實(shí)現(xiàn)了如下突破:首先,通過(guò)讓氧化鋅納米線在纖維之上生長(zhǎng),為實(shí)現(xiàn)柔軟,可折疊的電源系統(tǒng)(如“發(fā)電衣”)等打下了基礎(chǔ);其次,基于纖維的納米發(fā)電機(jī)能在低頻震動(dòng)下發(fā)電,這就使得步行、心跳等低頻機(jī)械能的轉(zhuǎn)化成為可能;再次,由于其合成方法簡(jiǎn)單,條件溫和,這就大大擴(kuò)展了基于氧化鋅納米線的納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍。根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),他估計(jì),如果能用這些纖維編織成布在極端優(yōu)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。
王中林說(shuō),目前這種由兩根纖維組成的納米發(fā)電機(jī)的輸出功率還很小,這主要是由于纖維的內(nèi)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(fā)電機(jī)的輸出能量。例如,通過(guò)在纖維上預(yù)先鍍一層導(dǎo)電材料然后生長(zhǎng)氧化鋅納米線,可以明顯降低納米發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻,進(jìn)而可提高纖維基納米發(fā)電機(jī)的輸出電流;也可以通過(guò)增加纖維的數(shù)量來(lái)提高納米發(fā)電機(jī)的輸出能量。
文章的審稿人認(rèn)為:“這是一項(xiàng)很有創(chuàng)意、具有突破性的研究......作者的思路是革命性的!蓖踔辛终J(rèn)為,新成果將為納米發(fā)電機(jī)在生物技術(shù)、納米器件、個(gè)人攜帶式電子設(shè)備以及國(guó)防技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)拓了更為廣泛的空間。
“今天,納米科技已經(jīng)從早期對(duì)納米材料結(jié)構(gòu)和基本物理化學(xué)特性的研究,發(fā)展到利用納米材料的優(yōu)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(lái),如納米傳感器、納米電動(dòng)機(jī)甚至納米機(jī)器人等!蓖踔辛终f(shuō),“但與此同時(shí),為這些微型化、集成化的納米器件提供能量的仍是傳統(tǒng)電源,如電池。因此,迫切需要開(kāi)發(fā)出納米尺度的電源系統(tǒng),為納米器件的進(jìn)一步小型化、集成化提供基本能源!
目前,已經(jīng)有BBC、NBC、PBS、《國(guó)家地理》等多家國(guó)際權(quán)威新聞媒體對(duì)這一重要的科學(xué)成果進(jìn)行了報(bào)道。 版權(quán)所有:中國(guó)化工儀器網(wǎng)
2月14日出版的《自然》雜志發(fā)表文章說(shuō),著名材料學(xué)家王中林的研究小組繼前年和去年開(kāi)發(fā)出直流納米發(fā)電機(jī)之后,在納米發(fā)電領(lǐng)域再次取得突破性進(jìn)展:通過(guò)在彈性纖維上生長(zhǎng)氧化鋅納米線,他們成功地將纖維的低頻震動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能。
王中林是國(guó)家納米中心海外主任、美國(guó)佐治亞理工學(xué)院校董事教授。從2006年開(kāi)始,王中林小組相繼發(fā)明了納米發(fā)電機(jī)、直流發(fā)電機(jī)。在2006年他首次提出了壓電電子學(xué)(Piezotronics)的概念和新研究領(lǐng)域。由于氧化鋅具有獨(dú)特的半導(dǎo)體和壓電性質(zhì),彎曲的氧化鋅納米線能在其拉伸的一面產(chǎn)生正電勢(shì),壓縮的一面產(chǎn)生負(fù)電勢(shì)。氧化鋅半導(dǎo)體和金屬電極之間的肖特基勢(shì)壘則能控制電荷的積累與釋放,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化,并有效釋放。
2007年初,基于壓電電子學(xué)原理,王中林研究小組用超聲波帶動(dòng)納米線陣列運(yùn)動(dòng),研制出能獨(dú)立從外界吸取機(jī)械能、并將之轉(zhuǎn)化為電能的納米發(fā)電機(jī)模型。在超聲波帶動(dòng)下,這種納米發(fā)電機(jī)已能產(chǎn)生上百納安的電流。但是,在實(shí)際環(huán)境中,機(jī)械能主要以低頻震動(dòng)形式存在,如空氣的流動(dòng)、引擎的震動(dòng)等。要讓納米發(fā)電機(jī)能廣泛應(yīng)用于各方面,一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題就是要降低納米發(fā)電機(jī)的響應(yīng)頻率,讓納米線陣列在幾個(gè)赫茲的低頻震動(dòng)下也能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),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(xué)方法,他們將氧化鋅納米線沿徑向均勻生長(zhǎng)在纖維表面,然而用兩根纖維模擬了將低頻震動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的這一過(guò)程。為了能實(shí)現(xiàn)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(jīng)處理的氧化鋅納米線。當(dāng)兩根纖維在外力作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),表面鍍有金膜的氧化鋅納米線像無(wú)數(shù)原子力顯微鏡探針一樣,同時(shí)撥動(dòng)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(shí)被彎曲、積累電荷,然后再將電荷釋放到鍍金的纖維上,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。
相對(duì)于之前的直流納米發(fā)電機(jī),新成果實(shí)現(xiàn)了如下突破:首先,通過(guò)讓氧化鋅納米線在纖維之上生長(zhǎng),為實(shí)現(xiàn)柔軟,可折疊的電源系統(tǒng)(如“發(fā)電衣”)等打下了基礎(chǔ);其次,基于纖維的納米發(fā)電機(jī)能在低頻震動(dòng)下發(fā)電,這就使得步行、心跳等低頻機(jī)械能的轉(zhuǎn)化成為可能;再次,由于其合成方法簡(jiǎn)單,條件溫和,這就大大擴(kuò)展了基于氧化鋅納米線的納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍。根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),他估計(jì),如果能用這些纖維編織成布在極端優(yōu)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。
王中林說(shuō),目前這種由兩根纖維組成的納米發(fā)電機(jī)的輸出功率還很小,這主要是由于纖維的內(nèi)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(fā)電機(jī)的輸出能量。例如,通過(guò)在纖維上預(yù)先鍍一層導(dǎo)電材料然后生長(zhǎng)氧化鋅納米線,可以明顯降低納米發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻,進(jìn)而可提高纖維基納米發(fā)電機(jī)的輸出電流;也可以通過(guò)增加纖維的數(shù)量來(lái)提高納米發(fā)電機(jī)的輸出能量。
文章的審稿人認(rèn)為:“這是一項(xiàng)很有創(chuàng)意、具有突破性的研究......作者的思路是革命性的!蓖踔辛终J(rèn)為,新成果將為納米發(fā)電機(jī)在生物技術(shù)、納米器件、個(gè)人攜帶式電子設(shè)備以及國(guó)防技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)拓了更為廣泛的空間。
“今天,納米科技已經(jīng)從早期對(duì)納米材料結(jié)構(gòu)和基本物理化學(xué)特性的研究,發(fā)展到利用納米材料的優(yōu)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(lái),如納米傳感器、納米電動(dòng)機(jī)甚至納米機(jī)器人等!蓖踔辛终f(shuō),“但與此同時(shí),為這些微型化、集成化的納米器件提供能量的仍是傳統(tǒng)電源,如電池。因此,迫切需要開(kāi)發(fā)出納米尺度的電源系統(tǒng),為納米器件的進(jìn)一步小型化、集成化提供基本能源!
目前,已經(jīng)有BBC、NBC、PBS、《國(guó)家地理》等多家國(guó)際權(quán)威新聞媒體對(duì)這一重要的科學(xué)成果進(jìn)行了報(bào)道。 版權(quán)所有:中國(guó)化工儀器網(wǎng)