摩擦生電，是個盡人皆知的事情，初中物理電學部分的第一課就是摩擦起電，而干燥環(huán)境下由于摩擦而造成的靜電常常讓人頭疼不已。既然生活中摩擦無處不在，如何讓這個令人厭煩的問題變成人見人愛的“正能量”?

在不久前召開的以“納米能源與壓電(光)電子學發(fā)展前沿”為主題的第538次香山科學會議上，記者了解到，基于納米能源與壓電電子學理論而研發(fā)出來的摩擦納米發(fā)電機，讓摩擦發(fā)電不再是幻想。

世上最小的發(fā)電機

這種摩擦納米發(fā)電機，其機械能轉(zhuǎn)化效率是50%—80%，可以為微小電子器件、納米機器人提供電力，使之真正實現(xiàn)自驅(qū)動

納米能源是指基于納米技術和納米材料的能源轉(zhuǎn)換與能源存儲技術。其實早在2007年4月出版的美國《科學》(Science)雜志上，就介紹了本次會議的執(zhí)行主席、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林研究員研制的由超聲波驅(qū)動的直流納米發(fā)電機。而更早的2006年4月，一向?qū)π路椒ā⑿吕碚撌譄嶂缘摹犊茖W》雜志，也曾報道過王中林領導的小組首次在納米(十億分之一米)尺度范圍內(nèi)，將機械能轉(zhuǎn)換成電能的研究成果。

王中林當時研制的這個世界上最小的發(fā)電機，巧妙地利用了納米線的半導體性能和壓電效應:通過外界環(huán)境震動，無論是超聲波，還是人的行走、潮汐的運動，甚至心臟跳動(如果被植入人體內(nèi)部的話)，使得納米線因機械運動所產(chǎn)生的動能傳導，而產(chǎn)生微小的共振、擺動、變形，從而在表面積累起電荷，再由納米線所附著的電極板輸出電流。

據(jù)測算，當時這種納米發(fā)電機的發(fā)電效率可以達到17%—30%。要知道，現(xiàn)在最好的太陽能電池的實際發(fā)電效率也僅在20%上下。

不過這樣的發(fā)電效率依然不能令人滿意。2011年，一個偶然的機會，王中林團隊發(fā)現(xiàn)表面上修飾著納米結(jié)構的塑料薄膜，互相摩擦產(chǎn)生的靜電電壓電流是過去用壓電產(chǎn)生的幾十倍，這個發(fā)現(xiàn)讓他們興奮異常。之后經(jīng)過一年多的研究，使得輸出功率提高了五個數(shù)量級。通過實驗驗證這種摩擦納米發(fā)電機，其機械能轉(zhuǎn)化效率是50%—80%，真是驚人啊!

由于摩擦這一現(xiàn)象很普遍，在生活中無處不在，由此團隊發(fā)明了四種模式，可以把接觸、滑動等四種不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)化成電能。這種摩擦納米發(fā)電機由特殊設計具有納米結(jié)構的高分子材料及其復合材料組成，輔以極少量的金屬電極材料，造價低廉，成品輕盈，耐腐蝕，它可以為微小電子器件、納米機器人提供電力，使之真正實現(xiàn)自驅(qū)動。

換個思路變身傳感器

觸發(fā)摩擦納米發(fā)電機，它就能發(fā)出信號，那反過來，如果監(jiān)測信號，就知道它觸發(fā)的情況

近年來，尺寸微小、功耗低、反應靈敏的納米器件和納米機器人，一直是納米學術界的前沿，因為它可以完成微觀醫(yī)療以及遙感等普通人力難以企及的使命。但對于全球眾多的研究者而言，最大的問題是：不管納米器械做到多小，仍然不得不依賴龐大的外接電源。更不用說由于常規(guī)電池多含有毒性物質(zhì)，使得一些醫(yī)用納米微型設備無法植入人體。

如果不能同步實現(xiàn)器件和電源的小型化，讓納米器械進入微觀世界，也許只能是紙上談兵。現(xiàn)在，隨著納米發(fā)電機的出現(xiàn)，這一前景重新變得光明起來。哈佛大學化學系教授查爾斯·萊博認為，這一發(fā)明為如何給納米器件提供電力這一關鍵問題“提出了解決方案”。

除了完全無線、可生物植入、長時期甚至終生無需照管的納米或微電子器件之外，將來每個人的衣服上、鞋子里等，都可以放置這樣的電源，為身上攜帶的便攜電子設備(包括MP3、手機等)提供能量。這樣智能穿戴設備才可能越來越流行。

納米能源另一個應用是自驅(qū)動的傳感系統(tǒng)，它解決了制約物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的微電源問題，從而實現(xiàn)無線傳感器在無人看護下，穩(wěn)定、可靠、長時間低成本運行。而按另一種思路設計的傳感器，還可以為醫(yī)療和安全提供解決方案。

王中林介紹說，觸發(fā)摩擦納米發(fā)電機，它就能發(fā)出信號，如果發(fā)電機是把電流收集起來，那反過來，如果我監(jiān)測信號，就知道它觸發(fā)的情況。他利用這一原理設計了一個小型傳感器，貼在胸部、喉嚨上，可以測量我們血壓和血液在身體的流動狀態(tài)。

這一思路還可以應用到安保方面。把這種傳感器安裝在門把手上，如果有人按上去就會產(chǎn)生信號從而實現(xiàn)立即報警。同樣的原理還可以安裝到地面上、屋子里，當無人進入時不會開啟，但一旦有人踩上去，它就可以產(chǎn)生信號并啟動監(jiān)視狀態(tài)。這種應用不僅節(jié)能而且節(jié)省數(shù)據(jù)。

納米能源的巨大能量

海水流動晝夜不停，為摩擦納米發(fā)電機提供了穩(wěn)定的工作環(huán)境，根據(jù)粗略測算，在200公里乘以200公里的海面，利用5米深的水就可以產(chǎn)生相當于三峽的總電量

納米能源可以解決的可不僅僅是這些微小系統(tǒng)的問題，其產(chǎn)生的巨大能源可以誘發(fā)能源革命。

利用海水波浪產(chǎn)生的摩擦效用，研究者們設計研發(fā)了水能摩擦納米發(fā)電機，將其結(jié)成網(wǎng)狀放置到海洋中，會使海水無規(guī)則的運動轉(zhuǎn)變?yōu)樵丛床粩嗟碾娔堋?jù)實驗測算，每平方公里的海面將可以產(chǎn)生兆瓦級的電能輸出。

王中林團隊利用固液界面的摩擦起電現(xiàn)象研制的“水能摩擦納米發(fā)電機”，可用于對河流、雨滴、海浪的動能收集。通過摩擦納米發(fā)電機四種基本模式的組合應用，這種發(fā)電機可以高效地回收海洋中的動能資源，包括水的上下浮動、海浪、海流、海水的拍打。他說，“水能摩擦納米發(fā)電機”首次實現(xiàn)固液界面摩擦發(fā)電。以前，一般認為只有在干燥條件下才能摩擦起電;該技術也實現(xiàn)了對水滴和波浪動能的同時收集。

王中林院士說，我國海域遼闊，海水流動晝夜不停，這為摩擦納米發(fā)電機提供了穩(wěn)定的工作環(huán)境。依托海洋，這種“藍色能源”或?qū)⒊?ldquo;綠色能源”，具有廣闊市場前景。根據(jù)粗略測算，在200公里乘以200公里的海面，利用5米深的水就可以產(chǎn)生相當于三峽的總電量。

同時，利用人流踩踏、汽車輪胎摩擦地面，也可發(fā)電。例如，北京西單商業(yè)區(qū)一天的人流踩踏產(chǎn)生的電，相當于約2.5噸煤燃燒所發(fā)的電。同樣的，利用納米發(fā)電機也可以利用汽車車輪與地面的摩擦而在此前白白浪費掉的能源回收利用。

據(jù)報道，美國威斯康星大學麥迪遜分校材料和工程學副教授王旭東(音譯)和他的博士生進行了為期一年的研究。他們認為，納米發(fā)電機可以從路面和車輛車輪之間電位差的變化來獲得電能。經(jīng)過研究確定，這種摩擦發(fā)電的效率與汽車的重量和速度有密切關系。根據(jù)車輛和其行駛狀態(tài)不同，發(fā)電量會有相應變化，但總體估計，這種裝置大約能將車輛的燃油效率提高至少10%。

記者從此次香山會議上了解到，目前以我國科學家為主體的研究團隊已經(jīng)對納米發(fā)電機及壓電(光)電子學的基礎理論、材料的可控制備及新型電子學器件設計積累了基礎，獲得了一批具有自主知識產(chǎn)權的創(chuàng)新型研究成果，相關研究處于世界領先水平。去年9月，湯森路透集團發(fā)布了2015年度論文引用桂冠獎獲獎名單，王中林位列其中。

我們期待著不久的將來我們可以受惠于這一研究引發(fā)的能源革命，使用上更干凈而持續(xù)的能源，同時也可以享受這一技術帶給我們的生活便利。