我國科學(xué)家研制出纖維納米發(fā)電機(jī)
著名材料學(xué)家王中林的研究小組繼前年和去年開發(fā)出直流納米發(fā)電機(jī)之后，在納米發(fā)電領(lǐng)域再次取得突破性進(jìn)展：通過在彈性纖維上生長氧化鋅納米線，他們成功地將纖維的低頻震動轉(zhuǎn)化為電能。
王中林是國家納米中心海外主任、美國佐治亞理工學(xué)院校董事教授。從2006年開始，王中林小組相繼發(fā)明了納米發(fā)電機(jī)、直流發(fā)電機(jī)。在2006年他首次提出了壓電電子學(xué)(Piezotronics)的概念和新研究領(lǐng)域。由于氧化鋅具有獨(dú)特的半導(dǎo)體和壓電性質(zhì)，彎曲的氧化鋅納米線能在其拉伸的一面產(chǎn)生正電勢，壓縮的一面產(chǎn)生負(fù)電勢。氧化鋅半導(dǎo)體和金屬電極之間的肖特基勢壘則能控制電荷的積累與釋放，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化，并有效釋放。
2007年初，基于壓電電子學(xué)原理，王中林研究小組用超聲波帶動納米線陣列運(yùn)動，研制出能獨(dú)立從外界吸取機(jī)械能、并將之轉(zhuǎn)化為電能的納米發(fā)電機(jī)模型。在超聲波帶動下，這種納米發(fā)電機(jī)已能產(chǎn)生上百納安的電流。但是，在實(shí)際環(huán)境中，機(jī)械能主要以低頻震動形式存在，如空氣的流動、引擎的震動等。要讓納米發(fā)電機(jī)能廣泛應(yīng)用于各方面，一個關(guān)鍵的問題就是要降低納米發(fā)電機(jī)的響應(yīng)頻率，讓納米線陣列在幾個赫茲的低頻震動下也能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，王中林教授和王旭東博士及秦勇博士組成研究小組。利用溶液化學(xué)方法，他們將氧化鋅納米線沿徑向均勻生長在纖維表面，然而用兩根纖維模擬了將低頻震動轉(zhuǎn)化為電能的這一過程。為了能實(shí)現(xiàn)電極與氧化鋅納米線之間的肖特基接觸，他們采用磁控濺射在一根纖維表面鍍了一層金膜作為電極，而另一根表面是未經(jīng)處理的氧化鋅納米線。當(dāng)兩根纖維在外力作用下發(fā)生相對運(yùn)動時，表面鍍有金膜的氧化鋅納米線像無數(shù)原子力顯微鏡探針一樣，同時撥動另外一根纖維上的氧化鋅納米線；所有這些氧化鋅納米線同時被彎曲、積累電荷，然后再將電荷釋放到鍍金的纖維上，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。
相對于之前的直流納米發(fā)電機(jī)，新成果實(shí)現(xiàn)了如下突破：首先，通過讓氧化鋅納米線在纖維之上生長，為實(shí)現(xiàn)柔軟，可折疊的電源系統(tǒng)(如發(fā)電衣)等打下了基礎(chǔ)；其次，基于纖維的納米發(fā)電機(jī)能在低頻震動下發(fā)電，這就使得步行、心跳等低頻機(jī)械能的轉(zhuǎn)化成為可能；再次，由于其合成方法簡單，條件溫和，這就大大擴(kuò)展了基于氧化鋅納米線的納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍。根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他估計，如果能用這些纖維編織成布在極端優(yōu)化的條件下，每平方米這樣的布可能輸出大約20－80毫瓦的電能。
王中林說，目前這種由兩根纖維組成的納米發(fā)電機(jī)的輸出功率還很小，這主要是由于纖維的內(nèi)阻較大以及纖維之間接觸面積較小造成的。目前，他們正努力提高這種基于纖維的納米發(fā)電機(jī)的輸出能量。例如，通過在纖維上預(yù)先鍍一層導(dǎo)電材料然后生長氧化鋅納米線，可以明顯降低納米發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻，進(jìn)而可提高纖維基納米發(fā)電機(jī)的輸出電流；也可以通過增加纖維的數(shù)量來提高納米發(fā)電機(jī)的輸出能量。
王中林是國家納米中心海外主任、美國佐治亞理工學(xué)院校董事教授。從2006年開始，王中林小組相繼發(fā)明了納米發(fā)電機(jī)、直流發(fā)電機(jī)。在2006年他首次提出了壓電電子學(xué)(Piezotronics)的概念和新研究領(lǐng)域。由于氧化鋅具有獨(dú)特的半導(dǎo)體和壓電性質(zhì)，彎曲的氧化鋅納米線能在其拉伸的一面產(chǎn)生正電勢，壓縮的一面產(chǎn)生負(fù)電勢。氧化鋅半導(dǎo)體和金屬電極之間的肖特基勢壘則能控制電荷的積累與釋放，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化，并有效釋放。
2007年初，基于壓電電子學(xué)原理，王中林研究小組用超聲波帶動納米線陣列運(yùn)動，研制出能獨(dú)立從外界吸取機(jī)械能、并將之轉(zhuǎn)化為電能的納米發(fā)電機(jī)模型。在超聲波帶動下，這種納米發(fā)電機(jī)已能產(chǎn)生上百納安的電流。但是，在實(shí)際環(huán)境中，機(jī)械能主要以低頻震動形式存在，如空氣的流動、引擎的震動等。要讓納米發(fā)電機(jī)能廣泛應(yīng)用于各方面，一個關(guān)鍵的問題就是要降低納米發(fā)電機(jī)的響應(yīng)頻率，讓納米線陣列在幾個赫茲的低頻震動下也能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，王中林教授和王旭東博士及秦勇博士組成研究小組。利用溶液化學(xué)方法，他們將氧化鋅納米線沿徑向均勻生長在纖維表面，然而用兩根纖維模擬了將低頻震動轉(zhuǎn)化為電能的這一過程。為了能實(shí)現(xiàn)電極與氧化鋅納米線之間的肖特基接觸，他們采用磁控濺射在一根纖維表面鍍了一層金膜作為電極，而另一根表面是未經(jīng)處理的氧化鋅納米線。當(dāng)兩根纖維在外力作用下發(fā)生相對運(yùn)動時，表面鍍有金膜的氧化鋅納米線像無數(shù)原子力顯微鏡探針一樣，同時撥動另外一根纖維上的氧化鋅納米線；所有這些氧化鋅納米線同時被彎曲、積累電荷，然后再將電荷釋放到鍍金的纖維上，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。
相對于之前的直流納米發(fā)電機(jī)，新成果實(shí)現(xiàn)了如下突破：首先，通過讓氧化鋅納米線在纖維之上生長，為實(shí)現(xiàn)柔軟，可折疊的電源系統(tǒng)(如發(fā)電衣)等打下了基礎(chǔ)；其次，基于纖維的納米發(fā)電機(jī)能在低頻震動下發(fā)電，這就使得步行、心跳等低頻機(jī)械能的轉(zhuǎn)化成為可能；再次，由于其合成方法簡單，條件溫和，這就大大擴(kuò)展了基于氧化鋅納米線的納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍。根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他估計，如果能用這些纖維編織成布在極端優(yōu)化的條件下，每平方米這樣的布可能輸出大約20－80毫瓦的電能。
王中林說，目前這種由兩根纖維組成的納米發(fā)電機(jī)的輸出功率還很小，這主要是由于纖維的內(nèi)阻較大以及纖維之間接觸面積較小造成的。目前，他們正努力提高這種基于纖維的納米發(fā)電機(jī)的輸出能量。例如，通過在纖維上預(yù)先鍍一層導(dǎo)電材料然后生長氧化鋅納米線，可以明顯降低納米發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻，進(jìn)而可提高纖維基納米發(fā)電機(jī)的輸出電流；也可以通過增加纖維的數(shù)量來提高納米發(fā)電機(jī)的輸出能量。
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