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納米發(fā)電機 納米發(fā)電機是基于規則的氧化鋅納米線(xiàn)的納米發(fā)電機。(A)在氧化鋁襯底上生長(cháng)的氧化鋅納米線(xiàn)的掃描電子顯微鏡圖像。(B)在導電的原子力顯微鏡針尖作用下，納米線(xiàn)利用壓電效應發(fā)電的示意圖。(C)當原子力顯微鏡探針掃過(guò)納米線(xiàn)陣列時(shí)，壓電電荷釋放的三維電壓/電流信號圖。近日出版的英國《科學(xué)》報道，美國佐治亞理工學(xué)院教授、中國國家納米科學(xué)中心海外主任王中林等成功地在納米尺度范圍內將機械能轉換成電能，研制出世界上最小的發(fā)電機——納米發(fā)電機。 
納米發(fā)電機 - 簡(jiǎn)介
國際納米技術(shù)領(lǐng)軍人物、哈佛大學(xué)教授Charles Lieber說(shuō)，“該工作極其令人振奮，它提出了解決納米技術(shù)中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的方案，那就是如何為許多研究組發(fā)明的納米器件提供電力的問(wèn)題。王教授利用他先創(chuàng )的氧化鋅納米線(xiàn)將機械能轉化為電能，在這個(gè)問(wèn)題上他顯示了巨大的創(chuàng )造性�！� 正在北京的王中林在接受《科學(xué)時(shí)報》采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)，“這是我在這個(gè)研究領(lǐng)域10多年最讓我激動(dòng)的發(fā)明�！彼J為這是國際納米領(lǐng)域的最讓人激動(dòng)的重大發(fā)現，它一定會(huì )引起整個(gè)納米學(xué)界對納米電源方面研究的巨大熱潮。 作為佐治亞理工學(xué)院校董事講座教授和工學(xué)院杰出講座教授，王中林同時(shí)也是北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)材料和納米技術(shù)系系主任、中國國家納米科學(xué)中心海外主任，這項工作是他和博士生宋金會(huì )共同完成的。 王中林早在7年前就認識到氧化鋅獨特的半導體、光學(xué)和生物學(xué)性能，具有其它納米材料不可替代的作用，因此，他的研究小組一直致力于以氧化鋅為基礎的納米材料的合成和應用研究。2001年，他們在《科學(xué)》雜志上報告首次合成氧化鋅半導體材料帶，這篇論文已被引用1100多次。之后，他們又研制出納米環(huán)、納米螺旋等器件。 王中林相信納米發(fā)電機無(wú)論在生物醫學(xué)、軍事、無(wú)線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)傳感方面都將有廣泛的重要應用。他說(shuō)：“這一發(fā)明可以整合納米器件，實(shí)現真正意義上的納米系統，它可以收集機械能，比如人體運動(dòng)、肌肉收縮等所產(chǎn)生的能量；震動(dòng)能，比如聲波和超聲波產(chǎn)生的能量；流體能量，比如體液流動(dòng)、血液流動(dòng)和動(dòng)脈收縮產(chǎn)生的能量，并將這些能量轉化為電能提供給納米器件。這一納米發(fā)電機所產(chǎn)生的電能足夠供給納米器件或系統所需，從而讓無(wú)納米器件或納米機器人實(shí)現能量自供�！� 鞋內裝上一個(gè)“納米發(fā)電機”，人們一邊走路一邊便可給手機或者M(jìn)P3播放器充電。在不久的將來(lái)，這將有望成為現實(shí)。 王中林還表示，單個(gè)的納米發(fā)電機雖然研發(fā)出來(lái)了，但其畢竟功率有限。未來(lái)真正投入使用的話(huà)，必須要有大量的納米發(fā)電機共同工作，組成一個(gè)"發(fā)電機組"。因此，課題組下一步的工作便是要想辦法研發(fā)出多個(gè)納米發(fā)電機聯(lián)合發(fā)電的裝置。 專(zhuān)家預測，納米發(fā)電機在生物醫學(xué)、軍事、無(wú)線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)傳感等領(lǐng)域將有廣泛的應用前景。這項發(fā)明可以整合納米器件，實(shí)現真正意義上的納米系統；可以收集機械能、震動(dòng)能、流體能量，并將這些能量轉化為電能提供給納米器件；納米發(fā)電機產(chǎn)生的電能足夠讓納米器件或納米機器人實(shí)現能量自供。 納米發(fā)電機 - 研制過(guò)程
王中林和宋金會(huì )巧妙的利用豎直結構的氧化鋅納米線(xiàn)的獨特性質(zhì)，在原子力顯微鏡的幫助下，研制出將機械能轉化為電能的世界上最小的發(fā)電裝置—納米發(fā)電機。他們利用氧化鋅納米線(xiàn)容易被彎曲的特性，在納米線(xiàn)內部外部分別造成壓縮和拉伸。豎直生長(cháng)的氧化鋅是纖鋅礦結構，同時(shí)具有半導體性能和壓電效應。壓電效應是由材料中的力學(xué)形變而導致的電荷極化的效應，它是實(shí)現力電耦合和傳感的重要物理過(guò)程。氧化鋅納米線(xiàn)的這種獨特結構導致了彎曲納米線(xiàn)的內外表面產(chǎn)生極化電荷。他們用導電原子力顯微鏡的探針針尖去彎曲單個(gè)的氧化鋅納米線(xiàn)，輸入機械能。同時(shí)由于氧化鋅的半導體特性，他們巧妙地把這一特性和氧化鋅納米線(xiàn)的壓電特性耦合起來(lái)，用半導體和金屬的肖特基勢壘將電能暫時(shí)儲存在納米線(xiàn)內，然后用導電的原子力顯微鏡探針接通這一電源，并向外界輸電，從而完美的實(shí)現了納米尺度的發(fā)電功能。更重要的是這一納米發(fā)電機竟然能達到17%～30%的發(fā)電效率，為自發(fā)電的納米器件奠定了物理基礎。 他們具體的試驗設置及過(guò)程是：首先用高溫熱蒸發(fā)氣相沉積的方法在氧化鋁襯底上合成非常均勻規則的單晶納米線(xiàn)，由于晶格匹配，這些納米線(xiàn)都是垂直生長(cháng)，具有規則的形貌（見(jiàn)圖A）， 而且和襯底結合的十分緊密。然后他們用金屬銀連通襯底的底部導電部分。同時(shí)，運用導電的原子力顯微鏡作為機械能輸入和電能的收集部分（見(jiàn)圖B）。彎曲并測量氧化鋅納米線(xiàn)的原子力顯微鏡探針針尖是鍍了白金的硅材料制成，即保證了彎曲納米線(xiàn)所需要的剛度同時(shí)也具備了良好的導電性。更重要的是這一設置使得納米線(xiàn)底部是金屬銀和半導體氧化鋅的連接，形成了歐母接觸(ohmic contact)，而針尖上白金和半導體氧化鋅的接觸形成了肖特基勢壘。正是由于這一巧妙的設置加上單晶氧化鋅納米線(xiàn)獨特的壓電性能，使得被彎曲拉長(cháng)的氧化鋅納米線(xiàn)一面所產(chǎn)生的正偏壓電能不能釋放，實(shí)現了電荷的分離和電荷積累。當原子力顯微鏡的探針繼續掃過(guò)納米線(xiàn)頂部到納米線(xiàn)被壓縮部分時(shí)，由于壓縮部分的氧化鋅納米線(xiàn)一面是負電壓，積累的壓電電荷得到釋放，為外電路輸出電流（見(jiàn)圖C）。從而在世界上首次實(shí)現了納米尺度機械能轉化為電能的裝置—納米發(fā)電機。 納米發(fā)電機 - 意義
哈佛大學(xué)國際納米技術(shù)領(lǐng)軍人Charles Lieber 教授高度評價(jià)說(shuō)“該工作是極其令人振奮的，因為它提出了解決納米技術(shù)中一個(gè)極其要害問(wèn)題的方案，那就是如何來(lái)實(shí)現許多研究組所發(fā)明的納米器件的供電問(wèn)題… 在認識和解決該重大科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題上王教授充分發(fā)揮了他的原創(chuàng )性，那就是利用他所先創(chuàng )的氧化鋅納米線(xiàn)來(lái)實(shí)現把力能轉換為電能” 王中林教授早在7年前就敏銳的認識到氧化鋅以其獨特的半導體、光學(xué)和生物特性具有其他納米材料不可替代的作用。他帶領(lǐng)他的科研小組，一直致力于氧化鋅為基礎的納米材料的合成和應用的研究，取得了令人矚目的一系列成果。2001年，他們首次合成氧化鋅半導體納米帶，當時(shí)Science周刊對這一重大科研成果的報道震動(dòng)了整個(gè)納米學(xué)界，這篇重要文獻迄今已經(jīng)被引用了1100多次。他近年來(lái)在Science上報道了一系列氧化鋅納米結構，例如納米環(huán)，納米螺旋等。而現在他的最近科研成果，納米發(fā)電機的發(fā)明勢必是納米科技界的最重大科研里程碑，其應用前景不可估量。 “這一發(fā)明可以整合納米器件，實(shí)現真正意義上的納米系統，它可以收集機械能，比如人體的運動(dòng)、肌肉的收縮、血液的流動(dòng)；震動(dòng)能，比如聲波、超聲波；甚至流體能量，比如體液的流動(dòng)、血液的流動(dòng)、動(dòng)脈的收縮，并將這些能量轉化為電能提供給納米器件。這一納米發(fā)電機所產(chǎn)生的電能足夠供給納米器件或系統所需，從而實(shí)現自供能，無(wú)線(xiàn)納米器件和納米機器人”王中林教授說(shuō)，“這是我在這個(gè)研究領(lǐng)域10多年最讓我激動(dòng)的發(fā)明”。 這也是全世界納米領(lǐng)域的最讓人激動(dòng)的重大發(fā)現，這一開(kāi)創(chuàng )性的發(fā)明，一定會(huì )引起整個(gè)納米學(xué)界對納米電源方面研究的巨大熱潮。 三五年內可為小型電子設備供電。如給iPod或者心臟起搏器充電。 納米發(fā)電機 - 可植入人體的納米發(fā)電機 科學(xué)家最新研究顯示，一種微型“納米發(fā)電機”可植入體內，從心臟跳動(dòng)獲得能量，向動(dòng)物活體內植入的傳感器提供電能，為體內低血糖等多種疾病狀況進(jìn)行早期預警。 目前，科學(xué)家已成功地將“納米發(fā)電機”植入實(shí)驗老鼠體內，并從老鼠的心臟跳動(dòng)中獲得電流。負責這項研究的是美國佐治亞理工學(xué)院王中林帶領(lǐng)的研究小組，他們認為納米發(fā)電機產(chǎn)生的電流可驅動(dòng)活體內傳感器。 王中林指出，在納米等級建立的氧化鋅導線(xiàn)可作為壓電材料，該材料能夠將機械能轉化為電能。因此，他和同事們構建了一個(gè)柔韌性微型發(fā)電機，可將動(dòng)物活體的呼吸或心臟跳動(dòng)等自然機體行為轉變成為電能。 研究小組將氧化鋅導線(xiàn)放置在一個(gè)柔韌聚合物培養基，使得該納米線(xiàn)以不同的形式融入其中。他們將該裝置封裝在一個(gè)聚合物中屏蔽了體內液體，從而保證該裝置產(chǎn)生的任何電流都不受背景干擾。 研究人員使用組織黏合劑將這個(gè)長(cháng)5毫米、寬2毫米的矩形裝置附著(zhù)在老鼠的隔膜肌肉上，王中林說(shuō)：“這種納米發(fā)電機非常小，你幾乎無(wú)法用肉眼能看到�！卑殡S著(zhù)每一次呼吸，納米導線(xiàn)將產(chǎn)生變形，從而產(chǎn)生2毫伏特潛電壓下4微微安培(picoamps)電流。 之后，研究人員在不同實(shí)驗老鼠的心臟植入類(lèi)似的納米裝置，可產(chǎn)生3毫伏特潛電壓下30微微安培(picoamps)電流。雖然產(chǎn)生的電量非常小，研究人員希望能夠按比例輸出，這將足夠為單個(gè)植入型納米傳感器提供電能，比如：血壓傳感器或者葡萄糖傳感器。這些傳感器對于電流的需求適中，并且不要求持續的電流供給。 王中林稱(chēng)，這種納米裝置能以任意方向捕捉活體內的機械能，因此它們不必以特定的陣列排列。他強調指出，動(dòng)物活體的任何機械能都可轉化為電流，為納米傳感器提供動(dòng)力。未來(lái)我們期望它們能夠進(jìn)入人體臨床實(shí)驗階段，成為人體內真正的“微型發(fā)電機”。相關(guān)論文發(fā)表于《先進(jìn)材料》[1]。 納米發(fā)電機 - 參考資料 [1] 搜狐 http://it.sohu.com/20090330/n263089508.shtml [2] 基金要聞 http://www.nsfc.gov.cn/nsfc/desktop/jjyw.aspx@infoid=8490.htm |
