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王中林：人人都能为自己发电

——访美国佐治亚理工学院纳米材料科学家王中林

华凌 //m.auribault.com 2014-04-01 来源：科技日报

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王中林教授正在展示摩擦纳米发电机。本报记者华凌摄

　　试想一下，你只需简单地在办公室走一圈，或者用手掌揉搓一下手机，即可给它充电，而无需将其插进充电器，你就是电源！

　　这是在第247届美国化学学会（ACS）全国会议暨博览会上，由美国佐治亚理工学院华裔纳米材料科学家、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士带领其研究团队，以独特的绿色能源视角呈现的研究成果报告。日前，王中林教授在北京接受了科技日报记者的专访。

　　开辟能源转化及应用新范畴

　　一百年以来，煤、天然气和核能电厂全部采用涡轮发动机驱动和电磁感应发电机，这一直是将机械能转换成电能的唯一途径。而常规能源的使用需要大量分散的、昂贵的发电厂和电网来四处分配电力，在输送的过程中会损失掉大量能源。

　　鉴于这种情况，2006年，王中林教授在佐治亚理工学院带领研究小组开始着手改变我们对待机械能的方式。他们研制出的纳米发电机，被美国《新科学家》杂志评为与手机同等重要的发明，认为其将是影响未来10到30年的十大重要技术之一，开辟了能源转化和应用的新范畴。

　　随后，他的研究小组致力研究一种称为压电效应即电力来源于压力的能量现象，发明微型的摩擦生电纳米发电机（TENG）。令他们吃惊的是，在研究中它所产生的电力高于预期。在调查导致这种现象的原因时，研究人员发现是由于设备上两种聚合物表面摩擦在一起，产生了所谓的摩擦作用，也就是基本上大多数人所知道的静电。

　　他介绍说，对于无线、便携或植入式电子产品来说，从我们的生活环境捕获能量是一种可持续、免维护、获得绿色电源的有效方法。

　　摩擦纳米发电机如何发电

　　王中林解释说，近期发明的这种摩擦生电纳米发电机是基于摩擦起电和静电感应的耦合将机械能转换成电能。在内部的发电单元，由于两层薄膜间表现出相反的摩擦电极性电荷转移，造成一个电势差；在外部负载时，电子被驱动在附着于薄膜背侧的两个电极之间流动，以平衡电位差。

　　TENG有三种基本的操作模式：垂直接触-分离模式、平面滑动模式和单电极模式。自从2012年1月第一份的TENG报告中，其输出功率密度在12个月内提高了5个数量级。该区域的功率密度达到313W/m2，体积密度达到490kW/m3，并被证明转换效率为50％。

　　将该研究商业化应用的关键是输出上的巨大飞跃和未来在化学上的改进。王中林解释道：“能够产生大量电荷的输出取决于摩擦表面的性质。在聚合物薄膜的表面上采用纳米材料的图案增加了片材的接触面积，产生的电力可以有上千倍的差异。”

　　未来商业前景无法估量

　　TENG可应用于收获各种可用的机械能，而且是通常在我们日常生活中浪费掉的，比如人体运动、风震、旋转的轮胎、流水等等。也可将其用作一个自供电传感器，使用其电压和电流输出信号主动检测静态和动态的过程引起的机械搅拌，对于触摸板和智能皮肤技术具有潜在应用。它的输出性能可以通过许多方法增强，包括合理地选择材料、改良物理表面形貌或化学功能化纳米结构。

　　目前，在大量改进的基础上，王中林的研究小组正致力于将其商业化，采用TENG给手机和其他移动设备充电。

　　未来，这些纳米发电机可以在更大规模上带来深远影响，商业前景更是无法估量。研究人员可以利用这一技术挖掘海浪、雨滴、我们周围风的无尽能量，用小的发电机，而不是高耸的风力发电机，以帮助满足全世界不断增长的能源需求。

　　无疑，它不仅可作为自我供电的便携式电子产品，同时也为我们在不久的将来提供了一个新的技术以解决世界能源危机这个重大问题。

编辑：尹盼秋