摩擦给你的手机充电

最近科学家们发明了一种普通材料制成的纳米发电机,它能够收集机械能,用来产生足够的能量给个人电子产品充电。

这种小型发电机能够延长便携设备的电池寿命,让用户两次充电之间的使用时间尽可能的地长,习惯户外旅游的你会不会眼前一亮呢

相信很多人都经历过被静电电极后的痛苦吧,但是你可能不会想到有一天这样微弱短短的能力可以被利用到,给个人电子产品充电。佐治亚理工学院的研究人员创建了这样一种装置,它人体运动时产生的静电给电话充电。试想想,当不久之前你的电量已经报警了,等你走了一会儿之后,口袋里的手机又多出了几格电,是不是很神奇呢?这也是人类历史上第一次证实,静电是可以被收集并利用的。

从理论上来讲,利用你走路,坐立不安,甚至是呼吸产生的多余能量,是可以给医疗植入设备和其他电子设备充电的。然而,利用这些小运动中产生的能量是非常有挑战性的。

来自佐治亚理工学院的Zhong Lin Wang教授,已经研究这个问题有好多年,集中在寻找机械应力下能产生电压的压电材料(请参阅“  “Harnessing Hamster Power with a Nanogenerator”“)。Zhong Lin Wang教授已经通过在纳米级别改变材料的属性放大了压电效应。不过,到目前为止,压电纳米发电机依然没有非常显著的输出功率。

现在,王的研究小组已经证明,采用不同的方法可能更有前途:静电和摩擦。乔治亚理工大学的研究人员证明,一种类型的塑料,聚乙烯对苯二甲酸乙二醇酯,和另一种金属制成的材料薄膜,可以很好地收集摩擦生电效应产生的能量。他们发现当这种材料的薄膜彼此开始接触时,它们开始充电;而当薄膜弯曲分开时,就释放出电流,这样就可以给电池充电了。并且通过改变薄面表面的纳米结构,可以使其其表面面积扩大很多,所以它们能产生更多的功率。

“佐治亚理工学院研制的这种纳米发电机可以将10至15%的机械运动能量转换成到电力,更薄的材料转换率更是能高达40%。”Zhong Lin Wang教授说。一个指甲大小的纳米材料,摩擦可以产生8毫瓦的能量,足够支持一个心脏起搏器的工作。5x5cm的小块就可以一次点亮600盏的LED灯,或着给锂离子电池充电,然后就可以让你的手机不接充电线也能运行好久了。Zhong Lin Wang教授的研究小组这项研究成果已经发发表在Nano Letters期刊上面

这种薄膜的材料选择性很广,而且制造工艺也非常简单。Zhong Lin Wang教授说。约50种常见的塑料,金属和其他材料的配对,都可以制作出这种微型充电器。

来自弗吉尼亚州的能量收集材料和系统研究中心主任技术Shashank Priya说:“我被这种发明的能量密度深深震撼了。”到目前为止,还没有其他智能材料可以在实际应用中产生足够的电能,

不过这种新的纳米发电机能否在实验室外工作,还有待观察。“他们需要证明,这种装置可以利用现实生活中的机械振动发电。“来自西雅图华盛顿大学的机械工程教授 Jiangyu Li说。要在现实世界中,这种纳米发电机需要找到提供能量最多的工作频率。如果它只能工作在低能量的频率振动时,就会费时太长给手机充电,达不到实际需求。Zhong Lin Wang教授表示,他正在和一些公司商讨商业化开发相关产品的事宜,预计最早的一款产品会是佩戴在手臂上。

 

延伸阅读:

世界最小发电机——纳米发电机

纳米发电机的原理

纳米发电机是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机。(A)在氧化铝衬底上生长的氧化锌纳米线的扫描电子显微镜图像。(B)在导电的原子力显微镜针尖作用下,纳米线利用压电效应发电的示意图。(C)当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时,压电电荷释放的三维电压/电流信号图。

纳米发电机的现状

近日出版的英国《科学》报道,美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能,研制出世界上最小的发电机——纳米发电机。

国际纳米技术领军人物、哈佛大学教授Charles Lieber说,“该工作极其令人振奋,它提出了解决纳米技术中一个关键问题的方案,那就是如何为许多研究组发明的纳米器件提供电力的问题。王教授利用他先创的氧化锌纳米线将机械能转化为电能,在这个问题上他显示了巨大的创造性。”

正在北京的王中林在接受《科学时报》采访时说,“这是我在这个研究领域10多年最让我激动的发明。”他认为这是国际纳米领域的最让人激动的重大发现,它一定会引起整个纳米学界对纳米电源方面研究的巨大热潮。

作为佐治亚理工学院校董事讲座教授和工学院杰出讲座教授,王中林同时也是北京大学工学院先进材料和纳米技术系系主任、中国国家纳米科学中心海外主任,这项工作是他和博士生宋金会共同完成的。

王中林早在7年前就认识到氧化锌独特的半导体、光学和生物学性能,具有其它纳米材料不可替代的作用,因此,他的研究小组一直致力于以氧化锌为基础的纳米材料的合成和应用研究。2001年,他们在《科学》杂志上报告首次合成氧化锌半导体材料带,这篇论文已被引用1100多次。之后,他们又研制出纳米环、纳米螺旋等器件。

王中林相信纳米发电机无论在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都将有广泛的重要应用。他说:“这一发明可以整合纳米器件,实现真正意义上的纳米系统,它可以收集机械能,比如人体运动、肌肉收缩等所产生的能量;震动能,比如声波和超声波产生的能量;流体能量,比如体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量,并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需,从而让无纳米器件或纳米机器人实现能量自供。”

鞋内装上一个”纳米发电机”,人们一边走路一边便可给手机或者MP3播放器充电。在不久的将来,这将有望成为现实。

王中林还表示,单个的纳米发电机虽然研发出来了,但其毕竟功率有限。未来真正投入使用的话,必须要有大量的纳米发电机共同工作,组成一个”发电机组”。因此,课题组下一步的工作便是要想办法研发出多个纳米发电机联合发电的装置。

●链接

王中林教授于1982年毕业于西安电子科技大学,并于同年考取中美联合招收的物理研究生(CUSPEA),1987年获亚利桑那州立大学物理学博士学位,现任美国佐治亚理工学院纳米科学和技术中心主任,是国内外著名的纳米技术专家。王中林教授已在国际一流刊物上发表期刊论文400余篇,会议论文140余篇,拥有专利8项,出版4本专著和15本编辑书籍。王中林教授因其对“纳米技术领域的材料科学以及基础发展做出的杰出及持续的贡献”,2002年当选为欧洲科学院院士,2004年当选为世界创新基金会院士,2005年当选为美国物理学会院士。王中林教授是从1992年到2002年10年中纳米科技论文被引用次数世界个人排名前25位作者之一。

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