纳米发电机

纳米发电机

纳米发电机是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机。(A)在氧化铝衬底上生长的氧化锌纳米线的扫描 电子显微镜 图像。(B)在导电的原子力显微镜针尖作用下，纳米线利用压电效应发电的示意图。(C)当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时，压电电荷释放的三维电压/电流信号图。近日出版的英国《科学》报道，美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机——纳米发电机。

                              

纳米发电机 - 简介
                                       
国际纳米技术领军人物、哈佛大学教授Charles　Lieber说，“该工作极其令人振奋，它提出了解决纳米技术中一个关键问题的方案，那就是如何为许多研究组发明的纳米器件提供电力的问题。王教授利用他先创的氧化锌纳米线将机械能转化为电能，在这个问题上他显示了巨大的创造性。”

正在北京的王中林在接受《科学时报》采访时说，“这是我在这个研究领域10多年最让我激动的发明。”他认为这是国际纳米领域的最让人激动的重大发现，它一定会引起整个纳米学界对纳米电源方面研究的巨大热潮。

作为佐治亚理工学院校董事讲座教授和工学院杰出讲座教授，王中林同时也是北京大学工学院先进材料和纳米技术系系主任、中国国家纳米科学中心海外主任，这项工作是他和博士生宋金会共同完成的。

王中林早在7年前就认识到氧化锌独特的半导体、光学和生物学性能，具有其它纳米材料不可替代的作用，因此，他的研究小组一直致力于以氧化锌为基础的纳米材料的合成和应用研究。2001年，他们在《科学》杂志上报告首次合成氧化锌半导体材料带，这篇论文已被引用1100多次。之后，他们又研制出纳米环、纳米螺旋等器件。

王中林相信纳米发电机无论在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都将有广泛的重要应用。他说：“这一发明可以整合纳米器件，实现真正意义上的纳米系统，它可以收集机械能，比如人体运动、肌肉收缩等所产生的能量；震动能，比如声波和超声波产生的能量；流体能量，比如体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，从而让无纳米器件或纳米机器人实现能量自供。”

鞋内装上一个“纳米发电机”，人们一边走路一边便可给手机或者MP3播放器充电。在不久的将来，这将有望成为现实。

王中林还表示，单个的纳米发电机虽然研发出来了，但其毕竟功率有限。未来真正投入使用的话，必须要有大量的纳米发电机共同工作，组成一个"发电机组"。因此，课题组下一步的工作便是要想办法研发出多个纳米发电机联合发电的装置。

专家预测，纳米发电机在生物医学、军事、无线通信和无线传感等领域将有广泛的应用前景。这项发明可以整合纳米器件，实现真正意义上的纳米系统；可以收集机械能、震动能、流体能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件；纳米发电机产生的电能足够让纳米器件或纳米机器人实现能量自供。

纳米发电机 - 研制过程
                                      

王中林和宋金会巧妙的利用竖直结构的氧化锌纳米线的独特性质，在原子力显微镜的帮助下，研制出将机械能转化为电能的世界上最小的发电装置—纳米发电机。他们利用氧化锌纳米线容易被弯曲的特性，在纳米线内部外部分别造成压缩和拉伸。竖直生长的氧化锌是纤锌矿结构，同时具有半导体性能和压电效应。压电效应是由材料中的力学形变而导致的电荷极化的效应，它是实现力电耦合和传感的重要物理过程。氧化锌纳米线的这种独特结构导致了弯曲纳米线的内外表面产生极化电荷。他们用导电原子力显微镜的探针针尖去弯曲单个的氧化锌纳米线，输入机械能。同时由于氧化锌的半导体特性，他们巧妙地把这一特性和氧化锌纳米线的压电特性耦合起来，用半导体和金属的肖特基势垒将电能暂时储存在纳米线内，然后用导电的原子力显微镜探针接通这一电源，并向外界输电，从而完美的实现了纳米尺度的发电功能。更重要的是这一纳米发电机竟然能达到17%～30%的发电效率，为自发电的纳米器件奠定了物理基础。

他们具体的试验设置及过程是：首先用高温热蒸发气相沉积的方法在氧化铝衬底上合成非常均匀规则的单晶纳米线，由于晶格匹配，这些纳米线都是垂直生长，具有规则的形貌（见图A）， 而且和衬底结合的十分紧密。然后他们用金属银连通衬底的底部导电部分。同时，运用导电的原子力显微镜作为机械能输入和电能的收集部分（见图B）。弯曲并测量氧化锌纳米线的原子力显微镜探针针尖是镀了白金的硅材料制成，即保证了弯曲纳米线所需要的刚度同时也具备了良好的导电性。更重要的是这一设置使得纳米线底部是金属银和半导体氧化锌的连接，形成了欧母接触(ohmic contact)，而针尖上白金和半导体氧化锌的接触形成了肖特基势垒。正是由于这一巧妙的设置加上单晶氧化锌纳米线独特的压电性能，使得被弯曲拉长的氧化锌纳米线一面所产生的正偏压电能不能释放，实现了电荷的分离和电荷积累。当原子力显微镜的探针继续扫过纳米线顶部到纳米线被压缩部分时，由于压缩部分的氧化锌纳米线一面是负电压，积累的压电电荷得到释放，为外电路输出电流（见图C）。从而在世界上首次实现了纳米尺度机械能转化为电能的装置—纳米发电机。

纳米发电机 - 意义
                                         


哈佛大学国际纳米技术领军人Charles Lieber 教授高度评价说“该工作是极其令人振奋的，因为它提出了解决纳米技术中一个极其要害问题的方案，那就是如何来实现许多研究组所发明的纳米器件的供电问题… 在认识和解决该重大科学和技术问题上王教授充分发挥了他的原创性，那就是利用他所先创的氧化锌纳米线来实现把力能转换为电能”

王中林教授早在7年前就敏锐的认识到氧化锌以其独特的半导体、光学和生物特性具有其他纳米材料不可替代的作用。他带领他的科研小组，一直致力于氧化锌为基础的纳米材料的合成和应用的研究，取得了令人瞩目的一系列成果。2001年，他们首次合成氧化锌半导体纳米带，当时Science周刊对这一重大科研成果的报道震动了整个纳米学界，这篇重要文献迄今已经被引用了1100多次。他近年来在Science上报道了一系列氧化锌纳米结构，例如纳米环，纳米螺旋等。而现在他的最近科研成果，纳米发电机的发明势必是纳米科技界的最重大科研里程碑，其应用前景不可估量。

“这一发明可以整合纳米器件，实现真正意义上的纳米系统，它可以收集机械能，比如人体的运动、肌肉的收缩、血液的流动；震动能，比如声波、超声波；甚至流体能量，比如体液的流动、血液的流动、动脉的收缩，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，从而实现自供能，无线纳米器件和纳米机器人”王中林教授说，“这是我在这个研究领域10多年最让我激动的发明”。 这也是全世界纳米领域的最让人激动的重大发现，这一开创性的发明，一定会引起整个纳米学界对纳米电源方面研究的巨大热潮。

三五年内可为小型电子设备供电。如给iPod或者心脏起搏器充电。

纳米发电机 - 可植入人体的纳米发电机
科学家最新研究显示，一种微型“纳米发电机”可植入体内，从心脏跳动获得能量，向动物活体内植入的传感器提供电能，为体内低血糖等多种疾病状况进行早期预警。

目前，科学家已成功地将“纳米发电机”植入实验老鼠体内，并从老鼠的心脏跳动中获得电流。负责这项研究的是美国佐治亚理工学院王中林带领的研究小组，他们认为纳米发电机产生的电流可驱动活体内传感器。

王中林指出，在纳米等级建立的氧化锌导线可作为压电材料，该材料能够将机械能转化为电能。因此，他和同事们构建了一个柔韧性微型发电机，可将动物活体的呼吸或心脏跳动等自然机体行为转变成为电能。

研究小组将氧化锌导线放置在一个柔韧聚合物培养基，使得该纳米线以不同的形式融入其中。他们将该装置封装在一个聚合物中屏蔽了体内液体，从而保证该装置产生的任何电流都不受背景干扰。

研究人员使用组织黏合剂将这个长5毫米、宽2毫米的矩形装置附着在老鼠的隔膜肌肉上，王中林说：“这种纳米发电机非常小，你几乎无法用肉眼能看到。”伴随着每一次呼吸，纳米导线将产生变形，从而产生2毫伏特潜电压下4微微安培(picoamps)电流。

之后，研究人员在不同实验老鼠的心脏植入类似的纳米装置，可产生3毫伏特潜电压下30微微安培(picoamps)电流。虽然产生的电量非常小，研究人员希望能够按比例输出，这将足够为单个植入型纳米传感器提供电能，比如：血压传感器或者葡萄糖传感器。这些传感器对于电流的需求适中，并且不要求持续的电流供给。

王中林称，这种纳米装置能以任意方向捕捉活体内的机械能，因此它们不必以特定的阵列排列。他强调指出，动物活体的任何机械能都可转化为电流，为纳米传感器提供动力。未来我们期望它们能够进入人体临床实验阶段，成为人体内真正的“微型发电机”。相关论文发表于《先进材料》[1]。

纳米发电机 - 参考资料

[1] 搜狐 http://it.sohu.com/20090330/n263089508.shtml
[2] 基金要闻 http://www.nsfc.gov.cn/nsfc/desktop/jjyw.aspx@infoid=8490.htm