從納米稱到納米儲能發動機——王中林的成果速覽

今年的諾貝爾獎在各大網絡平臺熱度空前，獲得化學獎的鋰電池領域重新以高調的姿態進入了大眾的視野。其實在儲能領域，還有一位大牛研究者做出的貢獻在國內外學術界都有著舉足輕重的地位，這位大牛就是華人科學家王中林。這篇文章將王中林院士這些年來的研究成果做了簡單的匯總，以便讀者參考。

1. 納米稱稱量病毒——嶄露頭角

Science: 碳納米管的靜電撓度和機電共振。¹

透射電子顯微鏡能夠檢測多壁碳納米管中電感應靜態和動態機械變形。從碳納米管彎曲的輪廓可以看出，它們能夠在基本頻率和較高的諧振波下被共振激發。隨著直徑的增加（8nm-40nm），彈性彎曲模量隨直徑的變化而急劇減小（從約1到0.1Mpa），這表明納米管從均勻的彈性模式過度到波浪形變形的彈性模式。利用這一原理可制備出用來做納米粒子的納米管天平以及基于納米管的開爾文探針。這種納米平衡方法可以衍生應用于稱量其他尺寸相似的顆粒，例如病毒的重量。

2. 納米帶、納米環、納米螺旋結構——向壓電效應進軍

Science: 碳納米管量子電阻器。²

王中林院士在進一步的研究中量化了多壁碳納米管（MWNT）的電導。通過用納米管纖維代替掃描探針顯微鏡的尖端來測量納米管的電導率，納米管可以與液態金屬接觸并且建立平緩的電接觸。多壁碳納米管電弧產生的電導是一個單位的電導量G₀?=2e²/h （12.9kilohms）^-1。而且納米管傳導電流不會散發熱量。通常為15納米寬4微米長的納米管，其尺寸和穩定性使其電導率比其他典型的室溫量子導體大幾個數量級，穩定電流密度能達到J>10⁷cm/A。

Science: 極性納米帶的外延自卷曲形成的單晶納米環。³

在極性納米帶的生長過程中，通過自發的自卷曲過程形成了獨立的氧化鋅單晶完整納米環。納米環是由長距離靜電相互作用引起的納米帶的圓形折疊引發的。環之間的短程化學鍵形成單晶結構。通過最小化極性電荷，表面積和彈性變形貢獻的能量來驅動自動卷曲。通過納米帶自動卷曲形成的氧化鋅納米環可用于研究極性表面誘導的生長過程，基本的物理現象和納米級器件。

Science: 氧化鋅納米帶轉變納米螺旋超晶格結構的方法。⁴

在這篇文章中王中林院士首次制備出了具有剛性螺旋結構氧化鋅超晶格結構的納米帶是，這一結構是通過氣固生長過程中自發形成的。利用具有極性表面的單晶剛性納米帶能夠在生長過程中產生剛性晶格旋轉和扭曲，使結構轉變為均勻螺旋狀超晶格結構的納米帶。通過改變生長條件能夠納米螺旋的懸向和直徑等性質，并測量其彈性性能，因此這種超晶格結構在機電耦合傳感器，換能器和諧振器中有很高的應用潛力。

3. 納米發電機——讓走路和海浪都能發電

Science: 基于氧化鋅納米線陣列的壓電納米發電機。⁵

在掌握精確控制納米結構以及壓電效應原理后，王中林院士通過壓電氧化鋅納米線（NW）陣列將納米級機械能轉換為電能。對準的NW用導電原子力顯微鏡尖端以接觸模式偏轉。氧化鋅中壓電和半導體特性的耦合會由于其彎曲而在整個NW處產生應變場和電荷分離。在金屬尖端和NW之間形成的肖特基勢壘的整流特性能夠產生電流。基于NW的壓電發電機的效率估計為17％至30％。這種方法具有將機械能、振動能和液壓能轉換成電能為納米器件供電的潛力。

Science: 超聲波驅動的直流納米發電機。⁶

在進一步的研究中王中林課題組開發了一種納米線納米發電機，該發電機由超聲波驅動以產生連續的直流輸出。用垂直排列的氧化鋅納米線陣列制造納米發生器，該陣列放置在鋸齒形金屬電極下方，間隙很小，上下驅動電極以彎曲和/或振動納米線。壓電半導體耦合過程將機械能轉化為電能。之字形電極充當平行集成金屬尖端的陣列，這些尖端同時并連續地從所有納米線產生，收集和輸出電流。該方法提供了一種適應性強，移動性強且具有成本效益的技術，可以從環境中收集能量，并且為納米設備和納米系統提供動力提供了潛在的解決方案。

Energy Environ. Sci.: 多種能量清除劑進行自然耦合壓電和光伏特性控制。⁷

在本文中，王中林課題組提出了一種簡單，低成本，靈活的混合電池，該電池可以結合使用壓電太陽能氧化鋅（ZnO）和有機太陽能電池設計將低頻機械能和光子能單獨或同時轉換為電能。由于混合電池是通過ZnO的壓電和光電導性能耦合來設計的，因此這是一種自然的混合架構，沒有串擾，并且無需額外的組裝過程即可創建多種類型的能量清除劑，因此不同于兩個不同能量發生器的簡單集成。通過調整在黑暗和光照下的機械應變過程，可以將壓電輸出的行為從交流（AC）型控制為直流（DC）型。實驗表明混合方法在任何時候，任何地方都有可清除多種類型能量的潛力。此外，這項工作建立了收集太陽能和低頻機械能（例如人體運動）的方法，從而可生產一種可嵌入到靈活的體系結構的多功能發電機。

Adv.Mater.: 通過生物力學能量驅動的摩擦電納米發電機自供電的細胞內藥物傳遞。⁸

用于無損傷，高效和按需細胞內藥物/生物大分子治療藥物傳遞仍然是巨大的挑戰。在本文中，王中林課題組開發了一種由生物力學能量驅動的摩擦電納米發生器（TENG）驅動的電穿孔系統，用于高效地進行細胞內藥物傳遞，并在體外和體內將細胞損傷降至最低。硅納米針陣列電極通過增強局部定位使電穿孔過程中的細胞損傷最小化納米針-細胞界面處的電場，也降低了質膜的流動性，從而增強了分子流入的效率。該集成系統實現了將外源物質（小分子，大分子和siRNA）高效遞送到不同類型的細胞（包括難以轉染的原代細胞）中，遞送效率高達90％，細胞活力超過94％。穿戴式TENG能夠通過簡單的手指摩擦或的拍手，實現細胞內生物分子的傳遞。這種用于主動電穿孔藥物輸送的集成式自供電系統顯示了自調整和可穿戴藥物傳遞的巨大前景。

Adv. Energy Mater.: 扁球形球狀摩擦納米發電機，用于全天候藍色能量收集。⁹

摩擦電納米發電機（TENGs）是大規模藍色能量收集提供了最有潛力的技術之一。但是，缺乏合理的設計在很大程度上阻礙了TENG從波濤洶涌的大海中獲取能量。在本文中，王中林課題組針對兩種情況精心設計了由兩個新穎的TENG零件組裝而成的扁球面TENG。上部的TENG以彈簧鋼板為基底，可以在波浪較大海面上輸出可觀的功率且占用空間較小。下部的TENG由兩個覆蓋銅的聚合物薄膜和一個滾球組成，可以捕獲平靜海域的小波能。一個上部可以實現281 V的最大開路電壓和76μA的短路電流，足以應用于各類充電裝置。更重要的是TENG具有獨特的自穩定性和低消耗，從而使其具有針對全天候藍色能源的新型結構設計的下一代TENG。

，王中林課題組提出了一種簡單，低成本，靈活的混合電池，該電池可以結合使用壓電太陽能氧化鋅（ZnO）和有機太陽能電池設計將低頻機械能和光子能單獨或同時轉換為電能。由于混合電池是通過ZnO的壓電和光電導性能耦合來設計的，因此這是一種自然的混合架構，沒有串擾，并且無需額外的組裝過程即可創建多種類型的能量清除劑，因此不同于兩個不同能量發生器的簡單集成。通過調整在黑暗和光照下的機械應變過程，可以將壓電輸出的行為從交流（AC）型控制為直流（DC）型。實驗表明混合方法在任何時候，任何地方都有可清除多種類型能量的潛力。此外，這項工作建立了收集太陽能和低頻機械能（例如人體運動）的方法，從而可生產一種可嵌入到靈活的體系結構的多功能發電機。

4. 自感知機器人和人造皮膚——納米結構在壓力傳感領域大顯身手

Adv.Mater.: 一種可拉伸的紗線嵌入式摩擦納米發電機，作為生物力學能量收集和多功能壓力傳感的電子皮膚。¹⁰

能夠進行能量收集和自供電感應的柔性可伸縮物理傳感器對于可穿戴電子設備的快速發展至關重要。即便如此，很少有研究可以將能量收集和自供電感應集成到單個電子皮膚中。王中林課題組開發了一種可拉伸和可清洗的皮膚摩擦電納米發生器（SI-TENG），用于生物力學能量收集和多功能壓力傳感。所制備的SI-TENG的最大平均功率密度為230 mW m^-2，能夠點亮170個發光二極管，能夠為各種電容器充電并驅動微型電子產品。作為一種自供電的多功能傳感器，SI-TENG被用于監視人體生理信號，例如動脈搏動和聲音振動。文章還制備了智能假肢，自供電的計步器/速度計，柔性數字鍵盤和具有8×8感測像素的概念驗證壓力傳感器陣列，以進一步確認其多功能的應用前景。基于這些優點，已開發的SI-TENG在可穿戴電源技術，生理監測，智能假體和人機界面中具有廣闊的應用前景。

ACS Nano: 絲網印刷可水洗電子紡織品作為自供電觸摸/手勢摩擦傳感器，用于智能人機交互。¹¹

具有嵌入式電路的多功能電子紡織品（E-Textile）在未來可穿戴電子產品方面具有廣闊的應用前景。然而，大多數電子紡織品仍面臨關鍵技術問題，包括透氣性，耐洗性和大規模生產問題。在這項工作中，王中林課題組制造了一種可水洗的電子織物，該方案能夠解決目前存在的大部分問題，并且能應用于智能人機界面的自供電摩擦紡織品。利用導電碳納米管（CNTs）和絲網印刷技術，這種電子紡織材料具有高導電性（0.2kΩ/ sq），高透氣性（88.2 mm / s），可以在普通織物上大規模生產。利用碳納米管和織物之間的相互作用，即使在清洗后，電極在苛刻的機械變形下也表現出出色的穩定性。此外，基于單電極模式摩擦電納米發生器和電極圖案設計，電子紡織物具有高靈敏度的觸摸/手勢感應性能，在人機交互界面具有潛在的應用。

王中林院士十年來持之以恒地進行氧化鋅納米結構的研究，使得氧化鋅成為除碳納米管和硅納米線外納米技術中一大材料體系。并且將納米發電機應用于藍色能源和健康領域，為人類迫在眉睫的能源問題和健康問題的解決做出了很大的貢獻。

參考文獻

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