納米發電機
納米發電機
納米發電機，是基於規則的氧化鋅納米線的納米發電機，是在納米範圍內將機械能轉化成電能，是世界上最小的發電機。目前納米發電機可以分為3類。
一類是壓電納米發電機，壓電納米發電機是利用特殊納米材料（氧化鋅）的壓電性能與半導體性能，把彎曲和壓縮的機械能轉變為電能的微型發電機。還有一類是摩擦納米發電機，摩擦發電機利用了兩種對電子束縛能力不同的材料，相互接觸時得失電子而在外電路產生電流的微型電機。目前主要有四種模式，垂直接觸分離，平面滑動式，單電極式，獨立層式。第三類為熱釋電納米發電機。
一、壓電納米發電機原理
氧化鋅具有半導體和壓電的雙效應，其中肖特基勢壘保證了氧化鋅的可以向外輸出單向電流的能力，因為半導體與金屬接觸時，氧化鋅的電子逸出功小於鉑電極，電子從氧化鋅流入探針（鉑電極），氧化鋅顯示正電，形成了類似於PN結的形式，當外界電場方向從鉑電極到氧化鋅，內部電子可以流動，輸出電流。
氧化鋅線彎曲時會產生兩側的電勢，由於氧離子與鋅離子相對移動，導致在壓縮的地方顯示負電，在拉伸的地方顯示正電，鉑探針可以看作零電勢。只有探針放在壓縮的一側時，產生的電勢差顯示正電，相當於PN被導通，在外電路產生電流。反之，相當於PN結的反向飽和電流，電流較小，不能產生電壓輸出。
二、摩擦納米發電機原理
採用了尼龍與聚四氟乙烯，兩者接觸時聚四氟乙烯得到電子，當滑移產生時，兩者離開接觸面的部分需要保持電中性，電子從聚四氟乙烯流向尼龍，這樣在外電路產生了向下的電流；當兩者相互接觸時，已經接觸的面保持電中性，之前流動的電子需要流回才能保持電中性，這樣在外電路實現了向上的電流。
對於壓電發電機，目前前景是超聲波發電機和彎曲的柔性發電機。
超聲波發電機分為三層，第一層為塗有鉑的螺旋形硅電極，中間是氧化鋅的納米線，底部是導電性好的電極。通過超聲波對錶面的振動，使得氧化鋅發生彎曲，鋸齒狀的鉑電極會接觸氧化鋅的一側，這樣就會有電流產生出來。
柔性發電機，發電機採用柔性的PDMS材料，在水平面上塗抹生長平行密集的氧化鋅納米線，在納米線兩極塗有金的電極，向外輸出電壓。通過彎曲基板，可以使納米線產生彎曲，一段產生正電一段負電，相當於將豎直面的彎曲引入到水平面上。
美國《科學》報道，美國喬治亞理工學院教授、中國國家納米科學中心海外主任王中林等成功地在納米尺度下將機械能轉換成電能，在世界上首次研製成功納米發電機。正在北京的王中林在接受《科學時報》採訪時說，“這是我在這個研究領域10多年最讓我激動的發明。”他認為這是國際納米領域的最讓人激動的重大發現，它一定會引起整個納米學界對納米電源方面研究的巨大熱潮。
作為喬治亞理工學院校董事講座教授和工學院傑出講座教授，王中林同時也是北京大學工學院先進材料和納米技術系系主任、中國國家納米科學中心海外主任，這項工作是他和博士生宋金會共同完成的。
王中林認識到氧化鋅獨特的半導體、光學和生物學性能，具有其它納米材料不可替代的作用，因此，他的研究小組一直致力於以氧化鋅為基礎的納米材料的合成和應用研究。2001年，他們在《科學》雜誌上報告首次合成氧化鋅半導體材料帶，這篇論文已被引用1100多次。之後，他們又研製出納米環、納米螺旋等器件。
王中林相信納米發電機無論在生物醫學、軍事、無線通信和無線感測方面都將有廣泛的重要應用。他說：“這一發明可以整合納米器件，實現真正意義上的納米系統，它可以收集機械能，比如人體運動、肌肉收縮等所產生的能量；震動能，比如聲波和超聲波產生的能量；流體能量，比如體液流動、血液流動和動脈收縮產生的能量，並將這些能量轉化為電能提供給納米器件。這一納米發電機所產生的電能足夠供給納米器件或系統所需，從而讓無納米器件或納米機器人實現能量自供。”
鞋內裝上一個"納米發電機"，人們一邊走路一邊便可給手機或者MP3播放器充電。在不久的將來，這將有望成為現實。
王中林還表示，單個的納米發電機雖然研發出來了，但其畢竟功率有限。未來真正投入使用的話，必須要有大量的納米發電機共同工作，組成一個"發電機組"。因此，課題組下一步的工作便是要想辦法研發出多個納米發電機聯合發電的裝置。
納米發電機的發明，被中國兩院院士評為2006年度世界科學十大科技進展之一；2008年，被英國《物理世界》評選為世界科技重大進展之一；2009年，《MITTechnologyReview》評選為十大創新技術之一;《ScienceWatch》在有關能源和燃料的一刊中重點報道了王教授發明納米發電機的過程和重大意義；英國《新科學家》期刊把納米發電機評為在未來十到三十年以後可以和手機的發明具有同等重要性和影響的十大重要技術之一。
基本信息
- 中文名
- 納米發電機
- 分類
- 壓電發電機、摩擦發電機
- 包括
- 機械能轉換成電能
- 基於
- 規則的氧化鋅納米線
- 屬於
- 世界上最小的發電機