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【资源】王中林小组新突破：纳米发电机“渐行渐近”[转，增补]
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王中林小组新突破：纳米发电机“渐行渐近”
雷人的发电机！ Paper: Microfibre–nanowire hybrid structure for energy scavenging.pdf 论坛之前相关资讯贴： 王中林小组最新成果：活体肌肉伸缩带动的纳米发电机 http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=1173576 科学家已经研制出了一种非常小的发电机，能够将人体行走时自然产生的机械能转化为电流。随着进一步的研究，这种纳米发电机有望使个人电子设备——例如移动电话、MP3播放器，甚至小型的笔记本电脑——所需的能量全部来源于一个人在办公室中的日常行动。通过由电池提供电能转变为由周围的环境提供能量，这项新技术同时还为长效的微传感器以及微型医疗器械的研制开辟了一个新的领域。 早在19世纪80年代，科学家便证明了一些物质具有将机械压力转化为电流的能力，即所谓的压电效应。长期以来，这种效应只有一些零星的应用，例如它能够向植入儿童运动鞋鞋底中的发光二极管（LED）提供能量，并且它还能够产生火花，从而点燃加注了丙烷的蜡烛以及壁炉点火器。然而迄今为止，尚没有人能够将这种从本质上来说是免费的能量引入一些非常小的装置——特别是在纳米量级上，这种装置的大小仅仅是人的一根头发丝直径的几千分之一。实际上，纳米尺度的压电装置具有非常重要的价值，这是因为它们的运转永远不需要提供能量或充电。 如今，美国亚特兰大市佐治亚理工学院的一名科学家已经实现了这一突破。在3月26日于犹他州盐湖城召开的美国化学会全国大会上，材料科学家王中林向与会者介绍了他们研制的第一台纳米发电机。这一装置依赖于像刚毛一样缠绕在一个金属电极以及被夹入一个刚性聚合物内部的具有弹性的氧化锌纳米线。当施加压力后，这种聚合物会向着氧化锌纳米线弯曲，从而产生电流。 截止目前，王中林的研究小组已经能够由此形成0.2伏特的电压，尽管只有6%的功效——仍低于传统电池的性能，但王中林认为，如果将许多台纳米发电机结合在一起，已经足以产生实际应用。 奥斯汀市得克萨斯大学一名从事机械工程研究的研究生Daniel Eils认为，纳米发电机是为单机装置提供能量的一项具有奠基意义的创新。目前正在进行类似研究的Eils表示，“随着纳米发电机设计与现有纳米技术和电路的结合”，这一概念“将迅速成熟”。 先前报道：王中林小组研制出纤维纳米发电机 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。 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） 附录 1《自然》论文摘要 Microfibre–nanowire hybrid structure for energy scavenging Yong Qin1,2, Xudong Wang1,2 & Zhong Lin Wang1 School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia 30332-0245, USA These authors contributed equally to this work. A self-powering nanosystem that harvests its operating energy from the environment is an attractive proposition for sensing, personal electronics and defence technologies. This is in principle feasible for nanodevices owing to their extremely low power consumption. Solar, thermal and mechanical (wind, friction, body movement) energies are common and may be scavenged from the environment, but the type of energy source to be chosen has to be decided on the basis of specific applications. Military sensing/surveillance node placement, for example, may involve difficult-to-reach locations, may need to be hidden, and may be in environments that are dusty, rainy, dark and/or in deep forest. In a moving vehicle or aeroplane, harvesting energy from a rotating tyre or wind blowing on the body is a possible choice to power wireless devices implanted in the surface of the vehicle. Nanowire nanogenerators built on hard substrates were demonstrated for harvesting local mechanical energy produced by high-frequency ultrasonic waves. To harvest the energy from vibration or disturbance originating from footsteps, heartbeats, ambient noise and air flow, it is important to explore innovative technologies that work at low frequencies (such as <10 Hz) and that are based on flexible soft materials. Here we present a simple, low-cost approach that converts low-frequency vibration/friction energy into electricity using piezoelectric zinc oxide nanowires grown radially around textile fibres. By entangling two fibres and brushing the nanowires rooted on them with respect to each other, mechanical energy is converted into electricity owing to a coupled piezoelectric–semiconductor process. This work establishes a methodology for scavenging light-wind energy and body-movement energy using fabrics. [ Last edited by memser on 2009-3-30 at 19:35 ] |
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