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纳米发电机

作者:888扑克手机版 发布时间:2020-07-15 17:29 点击数:

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  纳米发电机,是基于规则的的纳米发电机,是在纳米范围内将机械能转化成电能,是世界上最小的发电机。目前纳米发电机可以分为3类。

  氧化锌具有半导体和压电的双效应,其中肖特基势垒保证了氧化锌的可以向外输出单向电流的能力,因为半导体与金属接触时,氧化锌的电子逸出功小于铂电极,电子从氧化锌流入探针(铂电极),氧化锌显示正电,形成了类似于PN结的形式,当外界电场方向从铂电极到氧化锌,内部电子可以流动,输出电流。

  氧化锌线弯曲时会产生两侧的电势,由于氧离子与锌离子相对移动,导致在压缩的地方显示负电,在拉伸的地方显示正电,铂探针可以看作零电势。只有探针放在压缩的一侧时,产生的电势差显示正电,相当于PN被导通,在外电路产生电流。反之,相当于PN结的反向饱和电流,电流较小,不能产生电压输出。

  采用了尼龙聚四氟乙烯,两者接触时聚四氟乙烯得到电子,当滑移产生时,两者离开接触面的部分需要保持电中性,电子从聚四氟乙烯流向尼龙,这样在外电路产生了向下的电流;当两者相互接触时,已经接触的面保持电中性,之前流动的电子需要流回才能保持电中性,这样在外电路实现了向上的电流。

  超声波发电机分为三层,第一层为涂有铂的螺旋形硅电极,中间是氧化锌的纳米线,底部是导电性好的电极。通过超声波对表面的振动,使得氧化锌发生弯曲,锯齿状的铂电极会接触氧化锌的一侧,这样就会有电流产生出来。

  柔性发电机,发电机采用柔性的PDMS材料,在水平面上涂抹生长平行密集的氧化锌纳米线,在纳米线两极涂有金的电极,向外输出电压。通过弯曲基板,可以使纳米线产生弯曲,一段产生正电一段负电,相当于将竖直面的弯曲引入到水平面上。

  美国《科学》报道,美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等成功地在纳米尺度下将机械能转换成电能,在世界上首次研制成功纳米发电机。正在北京的王中林在接受《科学时报》采访时说,“这是我在这个研究领域10多年最让我激动的发明。”他认为这是国际纳米领域的最让人激动的重大发现,它一定会引起整个纳米学界对纳米电源方面研究的巨大热潮。

  作为佐治亚理工学院校董事讲座教授和工学院杰出讲座教授,王中林同时也是北京大学工学院先进材料和纳米技术系系主任、中国国家纳米科学中心海外主任,这项工作是他和博士生宋金会共同完成的。

  王中林认识到氧化锌独特的半导体、光学和生物学性能,具有其它纳米材料不可替代的作用,因此,他的研究小组一直致力于以氧化锌为基础的纳米材料的合成和应用研究。2001年,他们在《科学》杂志上报告首次合成氧化锌半导体材料带,这篇论文已被引用1100多次。之后,他们又研制出纳米环、纳米螺旋等器件。

  王中林相信纳米发电机无论在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都将有广泛的重要应用。他说:“这一发明可以整合纳米器件,实现真正意义上的纳米系统,它可以收集机械能,比如人体运动、肌肉收缩等所产生的能量;震动能,比如声波和超声波产生的能量;流体能量,比如体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量,并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需,从而让无纳米器件或纳米机器人实现能量自供。”

  鞋内装上一个纳米发电机,人们一边走路一边便可给手机或者MP3播放器充电。在不久的将来,这将有望成为现实。

  王中林还表示,单个的纳米发电机虽然研发出来了,但其毕竟功率有限。未来真正投入使用的话,必须要有大量的纳米发电机共同工作,组成一个发电机组。因此,课题组下一步的工作便是要想办法研发出多个纳米发电机联合发电的装置。

  纳米发电机的发明,被中国两院院士评为2006年度世界科学十大科技进展之一;2008年,被英国《物理世界》评选为世界科技重大进展之一;2009年,《MITTechnologyReview》评选为十大创新技术之一;《ScienceWatch》在有关能源和燃料的一刊中重点报道了王教授发明纳米发电机的过程和重大意义;英国《新科学家》期刊把纳米发电机评为在未来十到三十年以后可以和手机的发明具有同等重要性和影响的十大重要技术之一

  Wang X, Zhou J, Song J, et al. Piezoelectric field effect transistor and nanoforce sensor based on a single ZnO nanowire.[J]. Nano Letters, 2007, 6(12):2768-2772.

  Wang X, Yang B, Liu J, et al. A transparent and biocompatible single-friction-surface triboelectric and piezoelectric generator and body movement sensor[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2016

  Wang Z L. Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors.[J]. Acs Nano, 2013, 7(11):9533.


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