摩擦納米發電機及其四種基本工作模式【薦書】

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摩擦納米發電機是一項顛覆性技術并具有史無前例的輸出性能和優點。與經典電磁發電機相比，摩擦納米發電機在低頻下的高效能是同類技術無法比擬的。同時它也可以作為自驅動的傳感器來感知由機械觸發所產生的靜態和動態過程的信息。

納米發電機將是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術后在能源與傳感方面的另一重大應用，有可能引領技術革新并深刻改變人類社會。

人們的生活環境和工業生產中存在大量可以利用的機械能，自1831年邁克爾·法拉第發現電磁感應現象后，電磁感應發電機成為了最重要、最廣泛的發電方式，至今還沒有其他發電方式可與之比肩。

隨著可移動電子設備的數量激增，關于能源存儲的研發顯得更加重要，而目前的技術大多由電池實現。世界上有超過30億人擁有移動電話。如果全球都安裝了傳感器網絡，數目巨大的傳感器會遍布世界各個角落；而用電池來驅動這種數目驚人的傳感器是不大可能的。在這種情況下，一個可能的替代方案就是收集傳感器所在環境中的能量。這是一個新的領域，納米能源，即為微納系統提供持久的、不需維護的、自驅動的能源。納米能源的基本性能指標包括可用性、轉換效率和穩定性。當器件處在光照環境下，使用太陽能電池是一個自然的選擇。而當器件靠近一個發動機卻處在黑暗中，收集機械振動的能量是最佳的選擇。對于生物應用，收集肌肉拉伸中的形變能也是一個不錯的方式。

納米能源，作為一個全新的研究領域，是指利用新技術和微納米材料來高效收集和儲存環境中的能量，實現微納系統的可持續運轉。在過去的十年里，王中林及其團隊研發了納米發電機，并用其來構建自驅動系統和主動式傳感器。他們巧妙地主要利用了兩種物理效應來收集小型機械能：壓電效應和摩擦起電效應。

摩擦納米發電機(TENG)由王中林及其團隊于2012年首先發明，其目的是利用摩擦起電效應和靜電感應效應的耦合把微小的機械能轉換為電能。這是一種顛覆性的技術并具有史無前例的輸出性能和優點。它既用不著磁鐵也不用線圈，在制作中用到的是質輕、低密度并且價廉的高分子材料。摩擦納米發電機的發明是機械能發電和自驅動系統領域的一個里程碑式的發現，這為有效收集機械能提供了一個全新的模式。重要的是，和經典電磁發電機相比，摩擦納米發電機在低頻下（< 5～10Hz）的高效能是同類技術無法比擬的。TENG可以用來收集生活中原本浪費掉的各種形式的機械能，同時還可以用作自驅動傳感器來檢測機械信號。這種機械傳感器在觸屏和電子皮膚等領域具有潛在應用。

另外，如果把多個TENG 單元集成到網絡結構中，它可以用來收集海洋中的水能，可以為大尺度的“藍色能源”提供一種全新的技術方案，這有可能為整個世界的能源可持續發展作出重大貢獻。

現今的電子設備大多與人類活動相關，主要是為了健康、安全和通信等。而與人類相關的最富余的能量形式就是人體運動產生的機械能。最近，我們發現：當兩種不同材料相接觸時，它們的表面由于接觸起電作用會產生正負靜電荷；而當兩種材料由于機械力的作用分離時，接觸起電產生的正負電荷也發生分離，這種電荷分離會相應地在材料的上下電極上產生感應電勢差；如果在兩個電極之間接入負載或者處于短路狀態，這個感應電勢差會驅動電子通過外電路在兩個電極之間流動——這就是王中林課題組于 2012 年首次發明的摩擦納米發電機（ TENG ），主要目標是收集小尺度的機械能。TENG 具有如下四種基本工作模式。

圖1 摩擦納米發電機的四種基本工作模式。（a）垂直接觸-分離模式；（b）水平滑動模式；（c）單電極模式；（d）獨立層模式

圖2? 收集各種不同形式機械能的 TENG 的實物照片。這些 TENG 和對應的機械能形式包括：（a）手指敲擊的能量；（b）空氣流動和風能；（c）平面內滑動能量；（d）封閉腔體的 TENG用來收集水能和機械振動能；（e）可以用紡織物收集的人體運動的動能；（f）用透明的 TENG來收集觸屏操作的能量；（g）腳踏和手拍的能量；（h）水的沖擊能量；（i）用圓柱形 TENG 來收集轉動能量；（j）置于鞋內的 TENG 用來收集走路的能量；（k）柔性的柵格結構用來收集滑動的能量；（l）圓盤式 TENG 用來收集轉動能量

基于以上描述的四種基本工作模式，我們對于具體的應用制備了多種不同結構的 TENG 。圖 2 是我們制備的用來收集不同形式機械能的 TENG 的圖片。這些結構都是為小型電子設備提供微納能源的基本部件，通過將多個這樣的基本部件集成到一起，可以實現用這個基本原理來進行大尺度發電。

在過去的 20 世紀里，現代社會通過廣播和通信衛星建立起來的經濟、文化和政治上的廣泛聯系都直接產生于麥克斯韋方程組的位移電流一項。物理學歷史上認為牛頓的經典力學打開了機械時代的大門，而麥克斯韋電磁學理論則為信息時代奠定了基石。 1931 年，愛因斯坦評價麥克斯韋的建樹“是牛頓以來，物理學最深刻和最富有成果的工作。”

從 1886 年到 20 世紀 30 年代，由位移電流第一項推導出電磁波理論，電磁感應現象催生出天線廣播、電視電報、雷達微波、無線通信和空間技術。在 20 世紀60 年代，電磁統一產生光的理論，又給激光的發明和光子學的發展提供了重要的物理理論基礎。此外，飛機、船舶和宇宙飛船的控制與導航，電力和微電子工業的技術進步都離不開麥克斯韋。

而從 2006 年至今，位移電流第二分量基于媒介極化的特點催生出壓電納米發電機和摩擦納米發電機的興起，將極大地推動新能源技術和自供電傳感器技術的發展，使納米發電機能源系統在物聯網、傳感器網絡、藍色能源甚至大數據等影響未來人類發展的重大方面得到廣泛的應用。經過 150 余年的時空印記，追本溯源，納米發電機是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術后在能源與傳感方面的另一重大應用。

圖3 ?從麥克斯韋位移電流的兩個分量導出的主要基礎科學、技術和工業影響。左側是衍生的電磁波理論影響了 20 世紀通信技術的發展；右側是位移電流衍生的新技術用于能源和傳感器，極大可能會影響未來世界的發展

在可以預見的未來，這棵汲取物理學第一大方程組營養的大樹，將愈發茁壯成長，有可能引領技術革新，深刻改變人類社會（圖3）。

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