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交流納米發(fā)電機問世 克服了不可遇水的弊病

 

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

發(fā)電機后，美國佐治亞理工學院華人科學家王中林領導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。

　　王中林研究小組于2006年利用豎直結構氧化鋅納米線，發(fā)明了將機械能轉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。在第一代直立式納米發(fā)電機基礎上，他們又分別于2007年和2008年相繼發(fā)明了直流納米發(fā)電機和纖維納米發(fā)

電機。

　　盡管這些直立式發(fā)電機取得了巨大成功并衍生出基于不同襯底的模型，但其進一步發(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，有效克服了直立式發(fā)電機的設計缺陷。

在交流納米發(fā)電機中，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)電機的穩(wěn)定性和

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

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

　　王中林介紹說，交流納米發(fā)電機中單根氧化鋅納米線所輸出的電壓最高可達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

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

        在兩年前發(fā)明出第一代納米發(fā)電機的基礎上，美國佐治亞理工學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。這一最新成果近日在線發(fā)表在《—納米技術》期刊網站上。

　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構的氧化鋅（ZnO）納米線的獨特性質，發(fā)明了能將機械能轉

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

動的直流納米發(fā)電機和纖維納米發(fā)電機。

　　

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

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

對側面分別產生正、負壓電電勢，從而進一步實現機械能到電能的轉化、整流和輸出。

　　“盡管這類發(fā)電機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)電機的進一步發(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)電機不能正常工作。另

外，直立式發(fā)電機工作時自由端和驅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，進而影響納米發(fā)電機的性

能和壽命。”

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

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

機，并有效克服了直立式發(fā)電機的設計缺陷。

　

　在這一新型交流納米發(fā)電機中，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

驅動了電子在外電路中的往復流動，因此對外接器件產生了交變電流。

　　

        當交流納米發(fā)電機工作時，氧化鋅線起到的“電容”和“電荷泵”的作用，不斷將機械能轉換為電能，從而實現從環(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7%。

　　王中林說，與直立式納米發(fā)電機相比，交流納米發(fā)電機在許多方面有重大突破。在交流納米發(fā)電機中，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)電機中不復存在，因此降低了發(fā)電機的制造工藝難度和成本；與纖維發(fā)電機相比，交流納米發(fā)電機克服了不可遇水的弊

病；如果把大量的氧化鋅線集成在同一個襯底上，其輸出功率可進一步大幅提高；交流納米發(fā)電機還可以被容易地封裝在彈性

材料中，這就大大擴展了它的工作環(huán)境和應用范圍。

　　

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

提供了一個嶄新的方法和技術，并將納米發(fā)電機朝向實際應用推進了一大步。”