納米發(fā)電機三五年內(nèi)可為小型電子設(shè)備供電

【資料簡介】

納米發(fā)電機三五年內(nèi)可為小型電子設(shè)備供電

 美國佐治亞理工大學(xué)學(xué)院材料科學(xué)和工程系教授王中林領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊表示，經(jīng)過長達5年的，他們的納米發(fā)電機能夠給傳統(tǒng)的小型電子設(shè)備提供電力，點亮一臺小型液晶顯示屏（LCD）。據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，這種納米發(fā)電機使用一排纖細的納米線從周圍環(huán)境中收集機械能，然后將其轉(zhuǎn)化為電能，給電子設(shè)備提供電力。

    除此之外，王中林和同事zui近在納米發(fā)電機領(lǐng)域還取得了其他一系列的進步，包括發(fā)表在上周的《納米快報》網(wǎng)絡(luò)版上的更加簡單的納米發(fā)電機構(gòu)建技術(shù)，以及更早發(fā)表在《納米快報》和《自然·通信》上的研究成果等。

    王中林表示，盡管現(xiàn)在納米發(fā)電機產(chǎn)生的電流低于諸如iPod或心臟起搏器等設(shè)備所需的電流，但是，三五年之內(nèi)，納米發(fā)電機就可以為iPod或者心臟起搏器充電。

    提高輸出電力

    納米發(fā)電機項目由美國國防部研究計劃局（DARPA）、美國*和美國國家科學(xué)基金會資助。2006年初，王中林在美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文指出，可通過由壓電材料合成的納米線將機械能轉(zhuǎn)化為電能，并提出了納米發(fā)電機的原理。

    王中林的納米發(fā)電機主要依靠諸如氧化鋅等晶體材料中出現(xiàn)的壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)指晶體材料在機械壓力下可產(chǎn)生電勢。通過捕捉和收集氧化鋅納米線產(chǎn)生的電荷，能夠產(chǎn)生3伏電壓，大約300毫微安的電流。

    在的實驗中，機械能來自于研究人員對位于兩個手指之間的一臺納米發(fā)電機的按壓動作。在其他情況下，機械能也可能來自心跳、徒步旅行者的鞋子踏在路上的重量、衣服在風(fēng)的吹拂下發(fā)出的沙沙聲等。

    王中林表示，通過簡化設(shè)計，使設(shè)備更加穩(wěn)定，并且將更多納米線產(chǎn)生的電力結(jié)合在一起，他們成功提高了納米線產(chǎn)生的電力，足以驅(qū)動液晶顯示屏、激光器、發(fā)光二極管等電子設(shè)備。

    在另一篇發(fā)表于《納米快報》的論文中，王中林和其他同事報告了另外一項提高納米發(fā)電機輸出電力的研究進展。他們的方法包括兩個步驟：首先將垂直的氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移到一個聚合物接收襯底上以形成水平的納米線陣列，然后用平行的帶狀電極將所有納米線連接在一起。使用單層的這種結(jié)構(gòu)，研究人員產(chǎn)生了2.03伏特的開路電壓，并且獲得了每立方厘米約毫瓦特的zui高輸出能量密度。

    王中林表示，比起當前的發(fā)電設(shè)備，納米發(fā)電機有多項優(yōu)點。它們不像許多壓電材料那樣需要有毒重金屬，這使其非常環(huán)保，而且嵌入到人體內(nèi)也不會對健康造成傷害。它們還可以在低于水的沸點的溫度，即低于標準電子元件所需的溫度下制成。此外，這種發(fā)電機“很有可能可以大批量”，這樣，它們就能夠“飛入尋常百姓家”，應(yīng)用于生活的各個方面。

    王中林指出，從2005年開始研究納米發(fā)電機到現(xiàn)在，納米發(fā)電機的輸出電力已經(jīng)大為提高，目前的納米發(fā)電機產(chǎn)生的電流強度與一年前相比已經(jīng)提高了00倍。如果持續(xù)不斷地改進技術(shù)，三五年內(nèi)，就可以將納米發(fā)電機真正應(yīng)用在保健設(shè)備、個人電子產(chǎn)品以及環(huán)境監(jiān)測設(shè)備上。

    簡化組配技術(shù)

    zui早的氧化鋅納米發(fā)電機使用固定在一個堅硬襯底上的納米陣列，該納米陣列上部連接了一個金屬電極；而后來的納米發(fā)電機可將納米線兩端嵌入聚合物內(nèi)，通過簡單地彎曲納米線來產(chǎn)生電力。不考慮其線路布局，構(gòu)建出這樣的納米發(fā)電機不僅需要小心地“種植”納米線，而且還要進行辛苦的組裝工作。

    在的論文中，王中林團隊報告了一種更加簡單的裝配技術(shù)。首先，他們種植了一類新的納米線陣列，并將這些呈圓錐形納米線從襯底上切除，放入乙醇溶液中，隨后再將這種包含了納米線的溶液滴在一個細小的金屬電極和一塊柔軟的聚合物薄膜上。待乙醇揮發(fā)后，出現(xiàn)了一層新的納米線/聚合物層，zui后再利用大量的納米線/聚合物層組建成一類復(fù)合材料。王中林認為，這種過程可以對納米發(fā)電機進行大規(guī)模的。

    得到的納米發(fā)電機大小約為2厘米×.5厘米，當它被彎曲時，產(chǎn)生的電力足以點亮一個袖珍型計算器上的顯示屏。

    PZT納米線

    在另外一篇發(fā)表于《自然·通信》網(wǎng)絡(luò)版的論文中，王中林和其他同事報告了一種新方法——使用鋯鈦酸鉛（PZT）來裝配壓電納米線。PZT是將二氧化鉛、鋯酸鉛、鈦酸鉛在200攝氏度高溫下燒結(jié)而成的多晶體。

    研究團隊報告了*可在導(dǎo)電和不導(dǎo)電襯底上的化學(xué)晶膜上生長的垂直式PZT單晶納米線陣列。演示過程中，通過使用一個整流電路把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，PZT納米發(fā)電機為一個激光二極管提供了電力，這表明，PZT也可以成為納米發(fā)電機的組成原料。

    王中林表示，盡管在發(fā)電方面PZT的表現(xiàn)不如氧化鋅好，但這種替代材料可讓研究人員根據(jù)需要靈活選擇的材料。

納米發(fā)電機三五年內(nèi)可為小型電子設(shè)備供電