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xiaohewanwan

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[交流] 【转帖】美国华人科学家研制出可发电纳米纤维

新华社网伦敦 2月14日电(记者葛秋芳) 据14日出版的英国《自然》杂志报道，美国华人科学家王中林领导的科研小组日前研制出一种能产生电能的新型纳米纤维。

　　报道说，王中林是美国佐治亚理工学院教授、著名材料学家，他领导的研究小组研制的这种纤维能用来织成布料，布料可用于制造利用人体运动来发电的衣服、鞋和生物植入物如起搏器等。

　　这个研究小组的科学家给名为KEVLAR的合成纤维(一种质地坚固重量轻的合成纤维)涂上四乙氧基硅烷，再在其上涂一层氧化锌，氧化锌向外生长，形成许多凸起的晶体棒，就像卷式发梳上的梳齿。当有机械应力如弯曲、挤压、拉伸等作用于这些氧化锌晶体“发梳”时，它们就会产生电压。

　　科学家解释说，一些晶体的结构比较特别，缺乏对称性，当这种晶体受到压力而改变形状时，便会放出少量的电流，这就是压电效应。氧化锌就具备产生压电效应的特性。

　　科学家研制了两种涂有氧化锌的纤维，其中一种上面的氧化锌晶体“发梳”被涂上了一层薄金，可作为电极，另一种的表面是未经处理的氧化锌晶体“发梳”。当这两种纤维相互摩擦时，涂金且较硬的“发梳”使没有涂金的“发梳”的梳齿弯曲，由于压电效应，氧化锌晶体上出现电荷。这两种纤维末端的电线可以将电流输送到照明装置上，从而实现机械能到电能的转换。

　　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。

　　王中林认为，新成果为纳米发电机在生物技术、纳米器件、个人便携式电子设备以及国防技术等领域的应用开拓了更为广阔的空间。

　　另据中国科学院网站报道，王中林目前还担任中国国家纳米中心海外主任一职。

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在路上！加油！

1楼 2008-02-15 09:38:42

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wavingdxy

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访华人科学家王中林：只要能动，就能发电

让比头发丝还细的纤维丝“生长”出纳米材料，再通过马达带动长满纳米线的纤维丝相互错动，机械能就这样巧妙地转化为电能。借助这种纳米发电机，走路、心跳这样司空见惯的机械运动将来都能用来发电。“只要你能动，就能发电”，纤维纳米发电机研制小组领衔科学家王中林2月14日在接受记者采访时这样描述纤维纳米发电的远景。

王中林是佐治亚理工学院华人科学家，他领导的科研小组在纳米发电领域取得的这一突破性进展刊登在14日出版的英国《自然》杂志上。

王中林用通俗易懂的语言介绍说，与他们此前研发出的直流纳米发电机相比，纤维纳米发电机的突破在于：生长纳米线的基片从硬质、昂贵的硅材料换成了柔软、便宜的纤维丝；带动纳米线摩擦错动的机械运动由之前频率较高的超声波改为更容易获取的低频机械运动。

实验过程中，他们把纤维丝放入化学溶液中，在纤维丝上镀上氧化锌。镀在纤维丝上的氧化锌会径向生长，“长”出纳米线。长满纳米线的纤维丝就像“女士卷发用的发卷”。王中林说，将两个“发卷”平行放置，给其中一个镀金或其他金属，金属可以和氧化锌形成类似二极管的导电效应。然后在马达带动下，两个“发卷”相互错动摩擦，一拉一松。由于氧化锌的“压电效应”，纳米线的形变便可产生电能。他们成功地制成了数百个这种纤维纳米发电机。

为什么要让纳米发电机朝这个方向改进？王中林说，基片材料的改进大大降低了成本，“我们的纤维丝是用的杜邦公司的凯芙拉，几美元就可以买一大捆”。而且利用纤维成功进行纳米发电，意味着“发电衣”等柔性、可弯曲的发电体在不远的将来都会成为现实，甚至微风吹动的帐篷也能发电。他根据目前的原型估算，将来用这样的纤维制成的织物，每平方米的输出功率可达80毫瓦，有可能给一个随身的iPod供电。

低频机械运动的成功利用更具有突破性意义。跑步、走路、心跳等产生的机械能从理论上讲都可以转化为电能，这些被白白浪费掉的能量都可以被利用起来。另外，纤维纳米发电机的材料都是生物安全材料，整个过程无排放、无污染，堪称最具潜力的绿色发电。

纳米尺度的发电机的重要性怎么强调都不为过。王中林打了个比喻说，以前，不论多小、多灵敏的器件，都需要附加一个较大尺度的传统电源，好比“蚂蚁拉个大骆驼”。传统电源比如电池，都存在需要定期更换、材料有毒性等种种问题，而纤巧的纳米发电机无疑将使电源领域向前迈进革命性的一步。

王中林的科研小组接下来还将改进设计，重点提高输出功率。未来的纤维纳米发电机，将有广阔的应用空间。值得一提的是，纳米尺度发电机对于目前非常热门的各种纳米器件来说是个“好消息”，因为纳米器件的电力供应将从传统电源转变为真正匹配的纳米电源。

王中林说，“纳米发电机使得纳米器件实现了从器件到系统的一个质的飞跃，它是实现自驱动型纳米系统的关键。”

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2楼2008-02-15 16:08:25

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wavingdxy

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［科学网赵彦报道］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）

图：(a)低倍扫描电子显维照片显示两个互相缠绕的、表明长有氧化锌纳米线阵列的纤维，其中一个镀有金。(b)高倍扫描电子显维照片显示两纤维界面处的纳米线对纳米线结构。(c)显示多根纤维组成的纤维纳米发电机的串/并连式连接来提高输出电压/电流。(图片来源：王中林实验室)

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3楼2008-02-15 16:11:13

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