打個響指就能發電？能穿在身上的納米級發電機
01
第一章：回國
繼科學家顏寧之後，又一位被譽爲納米能源研究領域奠基人的華裔科學家近期結束了在美國大學近30年的職業生涯，回到北京中科院任職。這可是學術界的大牛，而很多人可能連“納米能源”都沒有聽說過，今天就來講講“納米發電機之父”王中林院士到底在研究什麼。
小的時候大家應該都有在冬天乾燥環境下，頭髮被摩擦起電的經歷，如果這種電能能夠替代化石能源呢？實際上，空氣或水的流動、空調掛機的運轉、汽車引擎的轉動、人行走時肌肉的伸縮或者對地面的摩擦、手指的摩擦，甚至我們呼吸、血液循環、心跳帶來的體內壓力變化，都在產生着能量——血液流動產生的能量約爲0.93瓦，呼吸也能產生0.83瓦的能量，人行走可以產生67瓦的能量，這些能量其實能夠帶動納米發電機，進而產生真正日常所用的電能。
納米發電機中的一種樣式
簡單來說，王中林院士的成果“納米發電機”，能在納米（十億分之一米）尺度範圍內，將機械能直接轉換成電能。
如果關注材料學進展就會發現，經常會有尺寸微小、功耗低、反應靈敏的納米器件和納米機器人出現，它們可以完成精密醫療、遙感等普通人力所不逮的細分領域，但全球衆多研究者都面臨着同一個問題：不管納米器件有多小、多精密，還是要依賴一個相對龐大的外界電源。常規電池中又含有對人體有害的毒性物質，導致一些醫用的納米器件無法植入體內，只能作爲手術工具使用。
這就像拿着錘子找釘子，必須要同步實現器件和電源的小型化，才能真正進入圍觀世界。
而納米發電機的關鍵還不僅僅在於尺寸微小，更重要的是，它能將高度分散、隨機且難以利用的能量利用起來，積小成大，最終得到的能源或許比我們現在的光伏、海上風機還要矚目，這點具體怎麼實現會在後文中細講。
王中林與李政道（右）合影
先簡單介紹一下王中林院士的學術之路。1982年畢業於西北電訊工程學院（現名西安電子科技大學）的王院士，當年是經由李政道在1979年發起的“中美聯合招考物理研究生項目（CUSPEA）”進入亞利桑那州立大學而成爲物理學博士的。CUSPEA相當於在正常申請路徑之外，另闢了一條給當時沒有託福、GRE考試的中國學子。
這個項目是李政道、秦惠箬夫婦當年因憂心國內科研人才青黃不接的狀況，而着力推動的人才海外培養計劃，共歷時10年。像王中林一樣通過CUSPEA出國的中國學生共有915名，現在不管是在國內還是海外幾乎都是各個行業的翹楚，比如現任清華大學天文系主任的毛淑德、上海智坤半導體有限公司董事長朱曉東博士、國家自然科學基金委副主任謝心澄院士等等，而王中林院士這次也延續了“薪火相傳”的傳統。其實在回國前，王院士已經擔任了中國科學院北京納米能源與系統研究所所長，這次回國全職從事尖端納米技術的研究也是情有可緣。
02
何爲納米發電機?
再來說說王院士最突出的成就：納米發電機，它的原理是什麼，具體是怎麼工作的。
傳統發電機大部分是電磁發電機，也就是物理學基礎中法拉第提出的電磁感應原理“磁鐵穿過線圈可以產生電流”。利用這一原理，科學家發明出動力發電機，把水力、風力、火力、核能變成電能。
但是納米發電機不一樣，納米發電機分三種：壓電、摩擦及熱釋電。壓電納米發電機指的是一種具有“壓電效應”的材料，在受到機械應力（如壓縮或拉伸）時，會產生電荷，比如石英、鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛（PZT）等材料，在受到壓力時，其內部電偶極子會發生重新排列，從隨機無序變成有序，最終在表面出現電。2007年，王中林團隊就已經做出了壓電納米機，但這並不是他們目前研究的重點方向。
熱釋電納米發電機的原理和壓電發電機很像，都是因爲材料會對外部刺激反應，造成內部電偶極子重新排列從而產生電能，只不過壓電發動機是對壓力有反應，而熱釋電則是對溫度敏感。 例如鉭酸鋰、鈦酸鋇這些材料，會因爲溫度的變化引起材料內部晶格結構的變化，從而導致電荷移動和電勢生成。
重點需要講一下的還是摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator，TENG）。在物理學研究中，摩擦效應一直是被視爲負效應，一般研究的目的都是爲了減少摩擦的效應，而摩擦納米發電就是要把這個“負效應”變爲“正效應”。
“摩擦起電”學名叫“接觸起電”，意味着電荷是可以通過物理接觸直接產生的，同樣是將機械能轉化爲電能。材料具有摩擦電效應則是指，兩個不同材料的表面通過接觸和摩擦後，因電荷轉移而產生靜電電荷的現象；當這些材料分開時，會在其表面產生電勢差，從而可以被收集並轉換爲電流。由於TENG是這三種路線中輸出電流最大的，利用可能性最高，所以是目前該領域的研究重點。
TENG可以分爲四種結構
而TENG根據結構和工作模式的不同又能分成四種類型: 垂直接觸－分離模式、水平滑動模式、單電極模式和獨立層模式。同時，爲了提升TENG的機械能向電能轉化的效率及性能，研究者主要通過優化結構、合理的材料選擇和納米級的表面改性這三種方式來實現，這也是爲什麼定語中的“納米”不能丟。
垂直接觸－分離模式中，兩種摩擦介質以面對面堆疊形式放置，背面附有金屬電極。當兩個材料表面接觸時，產生靜電荷，當外力使表面分離時，電荷也被分離，這會在電極之間產生感應電勢差，也就是一個帶正電一個帶負電，連着背後的電極它就是一種“納米電池”。
水平滑動很好理解，就是橫向摩擦，可以是平面的，也可以是圓柱、圓盤類型，在滑動過程中產生的摩擦電荷導致電極之間出現交變的電流輸出。
“單電極模式”指的是其中一個電極直接接地，相當於電子在摩擦材料和大地之間移動交換，從而形成電流。這個設計主要是考慮到，有一個摩擦對象是活動的部件，沒法掛上電極，比如汽車輪胎。
獨立層模式也差不多，只不過是一個“自由”的摩擦材料，在兩個固定的電極上來回震盪，基於接觸起電和靜電感應，摩擦材料的往復運動會導致電勢差變化，也就是產生不均勻電荷分佈，驅動電流流動。
03
把忽略的能源用起來
原理理解了，這個微小的如同電池的發電機又有什麼用處？首先要明白，用在產業界的時候，納米發電機會有更多更復雜的設計，只不過思路都是相通的。
有兩個領域最適用這個技術，一個是穿戴設備、傳感裝置，另一個是能源領域。
可用於可穿戴設備採集電能
TENG乃至於其他納米發電機技術，都可以隨時隨地利用人類行走或智能設備運動所產生的動能，將其轉化爲電能，爲電子設備進行充電。比如想實時測量體溫不需要一個電子體溫計，只需要帶上一個納米發電設備，搖晃兩下衣服就能準確測量，這種健康監護市場也有一個專門的研究賽道“微納能源”。還有一點更實用的是用在心臟起搏器上，利用心跳發電，這樣就無需定期開刀換電池了，視線再大一點，還能用在物聯網、環境監測和國防技術等方面。
可再生綠色能源領域，傳統基於電磁感應發電技術的發電風車具有體積大、質量大、成本高、低風速驅動難等問題，雖然我們之前提過各種各樣的新型風力發電設備，但其實都伴有結構複雜、輸出效率低的缺憾，弱風環境下更是難用。
摩擦納米發電機能把這部分浪費的風力利用起來。比如，在一堵牆上打幾個蜂窩狀的小洞，只要有風、有摩擦就能有電，頂多就是改變一下TENG的機構。
可能有人會問，爲什麼要投入資源去研究一個看起來極其微小的能源技術？因爲隨着技術發展，未來國內一定會有巨大的能源需求，同時能源問題又遲早要轉型，新的能源產生方式自然越多越好。不是要拋棄傳統方式，而是多一種可能。
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編輯｜張毅
審覈｜吳新
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