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交流納米發(fā)電機(jī)問世 克服了不可遇水的弊病

 

         據(jù)新華社華盛頓電(記者張忠霞)繼2006年研制出第一代納米發(fā)電機(jī)，2007年發(fā)明直流納米發(fā)電機(jī)，2008年發(fā)明纖維納米

發(fā)電機(jī)后，美國佐治亞理工學(xué)院華人科學(xué)家王中林領(lǐng)導(dǎo)的研究小組再次取得新成果，開發(fā)出了由高分子薄膜封裝的交流納米發(fā)

電機(jī)。

　　王中林研究小組于2006年利用豎直結(jié)構(gòu)氧化鋅納米線，發(fā)明了將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的世界上最小的發(fā)電裝置———直立

式納米發(fā)電機(jī)。在第一代直立式納米發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上，他們又分別于2007年和2008年相繼發(fā)明了直流納米發(fā)電機(jī)和纖維納米發(fā)

電機(jī)。

　　盡管這些直立式發(fā)電機(jī)取得了巨大成功并衍生出基于不同襯底的模型，但其進(jìn)一步發(fā)展也面臨障礙。為解決這些問題，研

究小組嘗試使用封裝的水平式氧化鋅納米線，最終成功發(fā)明了封裝型交流納米發(fā)電機(jī)，有效克服了直立式發(fā)電機(jī)的設(shè)計缺陷。

在交流納米發(fā)電機(jī)中，氧化鋅納米線被固定在彈性高分子襯底上，避免了電極與納米線的摩擦，從而提高了發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性和

壽命。更重要的是，在這一新型發(fā)電機(jī)中，不用再對驅(qū)動電極與納米線距離進(jìn)行精確控制，這就降低了發(fā)電機(jī)的制造工藝難度

和成本。另外，與纖維納米發(fā)電機(jī)相比，交流納米發(fā)電機(jī)還克服了不防水的弊病。

　　王中林介紹說，交流納米發(fā)電機(jī)中單根氧化鋅納米線所輸出的電壓最高可達(dá)50毫伏。如不考慮基片能量損耗，就氧化鋅

納米線而言，發(fā)電效率可達(dá)7%。如果把大量氧化鋅納米線集成在同一個襯底上，其輸出功率可望大幅提高。交流納米發(fā)電機(jī)

還可以很容易地被封裝在彈性材料中，這就大大地擴(kuò)展了它的工作環(huán)境和應(yīng)用范圍。
　

        在兩年前發(fā)明出第一代納米發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上，美國佐治亞理工學(xué)院教授王中林研究小組再次研制出高分子薄膜封裝的交流

納米發(fā)電機(jī)。這一最新成果近日在線發(fā)表在《—納米技術(shù)》期刊網(wǎng)站上。

　自然

  　2006年，在原子力顯微鏡的幫助下，王中林小組利用豎直結(jié)構(gòu)的氧化鋅（ZnO）納米線的獨(dú)特性質(zhì)，發(fā)明了能將機(jī)械能轉(zhuǎn)

化為電能的世界最小的發(fā)電裝置——直立式納米發(fā)電機(jī)。在此基礎(chǔ)上，他的研究小組在2007年和2008年初，發(fā)明了超聲波驅(qū)

動的直流納米發(fā)電機(jī)和纖維納米發(fā)電機(jī)。

　　

         在這些直立式發(fā)電機(jī)中，氧化鋅納米線一端固定，并與一個固定電極相連。而當(dāng)氧化鋅線自由端在驅(qū)動電極的作用下受

力變形時，納米線一側(cè)受壓縮而另一側(cè)被拉伸。由于氧化鋅同時具有半導(dǎo)體和壓電性質(zhì)，這就使得納米線拉伸和壓縮的兩個相

對側(cè)面分別產(chǎn)生正、負(fù)壓電電勢，從而進(jìn)一步實現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化、整流和輸出。

　　“盡管這類發(fā)電機(jī)取得了巨大的成功并衍生出基于不同襯底的模型，直立式發(fā)電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展仍面臨一些困難亟須解

決。”王中林說：“一個挑戰(zhàn)來自于驅(qū)動電極與氧化鋅納米線距離的精確控制，少量的誤差就會造成發(fā)電機(jī)不能正常工作。另

外，直立式發(fā)電機(jī)工作時自由端和驅(qū)動電極要不斷接觸和摩擦，由此可能造成納米線和電極的磨損，進(jìn)而影響納米發(fā)電機(jī)的性

能和壽命。”

　　為了解決直立式納米發(fā)電機(jī)的問題，王中林想到了能否用封裝的水平式氧化鋅線實現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化。為此，他和楊

如森博士、秦勇博士和戴黎明教授等，嘗試了各種設(shè)計方案并進(jìn)行了大量實驗，歷經(jīng)近兩年終于發(fā)明了封裝型交流納米發(fā)電

機(jī)，并有效克服了直立式發(fā)電機(jī)的設(shè)計缺陷。

　

　在這一新型交流納米發(fā)電機(jī)中，氧化鋅線水平放置于彈性高分子襯底上，其兩端分別連接輸出電極并固定在襯底上。由于襯

底厚度比氧化鋅線的直徑大得多，當(dāng)彈性襯底變形彎曲后，氧化鋅線整體被拉伸或整體被壓縮。在壓電效應(yīng)的作用下，壓電電

場沿著氧化鋅線軸向建立并在兩端形成電勢差。由于在一端有肖特基勢壘的存在，此壓電電勢差隨著氧化鋅線的來回彎曲從而

驅(qū)動了電子在外電路中的往復(fù)流動，因此對外接器件產(chǎn)生了交變電流。

　　

        當(dāng)交流納米發(fā)電機(jī)工作時，氧化鋅線起到的“電容”和“電荷泵”的作用，不斷將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，從而實現(xiàn)從環(huán)境中

獲取能量并有效輸出。單根氧化鋅線所給出的最多電壓可達(dá)到50毫伏。如果不考慮基片的能量損耗，就氧化鋅線而言，發(fā)電

效率可達(dá)7%。

　　王中林說，與直立式納米發(fā)電機(jī)相比，交流納米發(fā)電機(jī)在許多方面有重大突破。在交流納米發(fā)電機(jī)中，氧化鋅線被固定在

襯底上，避免了與電極的摩擦，從而提高了發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性和壽命；更重要的是，電極與氧化鋅線間隙大小的苛刻要求在此新

型發(fā)電機(jī)中不復(fù)存在，因此降低了發(fā)電機(jī)的制造工藝難度和成本；與纖維發(fā)電機(jī)相比，交流納米發(fā)電機(jī)克服了不可遇水的弊

??；如果把大量的氧化鋅線集成在同一個襯底上，其輸出功率可進(jìn)一步大幅提高；交流納米發(fā)電機(jī)還可以被容易地封裝在彈性

材料中，這就大大擴(kuò)展了它的工作環(huán)境和應(yīng)用范圍。

　　

   “交流納米發(fā)電機(jī)是納米電源研究方面的一個重大突破。”王中林說：“在環(huán)境機(jī)械能的轉(zhuǎn)換和輸出方面，這一新型發(fā)電機(jī)

提供了一個嶄新的方法和技術(shù)，并將納米發(fā)電機(jī)朝向?qū)嶋H應(yīng)用推進(jìn)了一大步。”