10月22日，世界能源領(lǐng)域最高獎(jiǎng)、被譽(yù)為“能源界諾貝爾獎(jiǎng)”的埃尼獎(jiǎng)被授予中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長、中國科學(xué)院外籍院士王中林教授。

王中林在埃尼獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)現(xiàn)場

　　埃尼獎(jiǎng)是世界能源領(lǐng)域最權(quán)威獎(jiǎng)項(xiàng)，與計(jì)算機(jī)界圖靈獎(jiǎng)、數(shù)學(xué)界的菲爾茲獎(jiǎng)及沃爾夫獎(jiǎng)等并稱為自然科學(xué)領(lǐng)域性的最高獎(jiǎng)項(xiàng)。王中林院士成為獲得埃尼獎(jiǎng)的第一位華人科學(xué)家，他的一大成就就是發(fā)明了納米發(fā)電機(jī)。英國《新科學(xué)家》雜志把納米發(fā)電機(jī)評為影響未來、10~30年后有可能和手機(jī)具有同等重要性的十大重要技術(shù)之一。納米發(fā)電機(jī)是如何發(fā)現(xiàn)的?這項(xiàng)成果將如何改變世界?王中林向記者進(jìn)行了解答。

　　文|廣州日報(bào)全媒體記者 肖歡歡

　　圖|中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所

　　王中林院士是國際公認(rèn)的納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)軍型科學(xué)家。他首次發(fā)明了納米發(fā)電機(jī)和自驅(qū)動(dòng)納米系統(tǒng)技術(shù)，被譽(yù)為“納米發(fā)電機(jī)之父”。

　　將來走路心跳脈搏都可以發(fā)電

　　王中林告訴記者，通過比頭發(fā)絲還細(xì)的纖維絲長出極微小的納米線，只要受到拉車、摩擦或微風(fēng)吹拂就可以自行發(fā)電。這意味著，只要人穿上納米材料制作的“發(fā)電衣”，通過運(yùn)動(dòng)，就能發(fā)電。根據(jù)模型估算，用這樣的纖維制成的織物，每平方米輸出功率可以達(dá)80毫瓦，足以為一塊手機(jī)電池充電。“將來，只要我們穿著納米纖維材料的衣服，就不用再為隨身所帶的電子設(shè)備沒電而煩惱了，因?yàn)槲覀兊囊路旧砭涂梢园l(fā)電。”

　　他舉例說，長滿納米線的纖維絲就像女士卷發(fā)用的發(fā)卷，將兩個(gè)發(fā)卷平行放置，給其中一個(gè)鍍上金屬，從而和氧化鋅形成類似二極管的導(dǎo)電效應(yīng)。最后在馬達(dá)的帶動(dòng)下，兩個(gè)“發(fā)卷”相互錯(cuò)動(dòng)摩擦，一拉一松，由于氧化鋅的“壓電效應(yīng)”，納米線的形變便能產(chǎn)生電能。

　　王中林說，任何一項(xiàng)發(fā)明，如果它的應(yīng)用成本很高，材料很難獲取，那終究會(huì)影響它的推廣價(jià)值。這一發(fā)明可以用來收集人體運(yùn)動(dòng)、肌肉收縮、血液流動(dòng)、聲波、超聲波等所產(chǎn)生的能量，將其轉(zhuǎn)化為電能提供給納米器件，讓納米器件實(shí)現(xiàn)能量自供。這些昔日白白被浪費(fèi)掉的能量都會(huì)被利用起來。發(fā)電效率達(dá)到17%-30%的，為自發(fā)電的納米器件奠定了基礎(chǔ)。

　　其次，材料都是安全的，整過程無排放、無污染，堪稱最具潛力的綠色發(fā)電。納米發(fā)電機(jī)的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。以前不論多小、多靈敏的元器件，都要加上一個(gè)尺寸較大的傳統(tǒng)電源，就好比螞蟻拉著一頭大象。傳統(tǒng)電源，比如電池，都需要定期更換。在未來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，如果所有的移動(dòng)終端，包括很多小器件，有些傳感器比指甲蓋還要小，如果它們都需要依賴電池充電的話，物聯(lián)網(wǎng)就沒法實(shí)現(xiàn)。

　　納米發(fā)電機(jī)將是電源領(lǐng)域革命性的一步，納米器件的電力供應(yīng)將從傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米電源。其在生物醫(yī)藥、無線通信和無線傳感等領(lǐng)域?qū)⒂蟹浅V泛的應(yīng)用前景。它可以整合納米器件，實(shí)現(xiàn)真正意義上的納米系統(tǒng)：可以收集機(jī)械能、流體能量等轉(zhuǎn)化為電能，提供給納米器件，讓納米器件實(shí)現(xiàn)能量自供。這是解決未來能源問題的基石，也為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。

　　解決難題：對話,將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能

　　記者：你是如何進(jìn)入納米研究領(lǐng)域的?

　　王中林：1987年我從亞利桑那州立大學(xué)博士畢業(yè)后，在物質(zhì)與電子交互作用這一基礎(chǔ)物理領(lǐng)域工作了很長時(shí)間，主要從事彈性和非彈性散射理論研究。我還在高溫超導(dǎo)方面做了很長時(shí)間研究。我決定轉(zhuǎn)到納米領(lǐng)域是因?yàn)槲乙庾R(shí)到我所從事的理論的局限性——我的研究可能不會(huì)有太大影響。于是我將全部時(shí)間投入到納米研究，我在學(xué)生時(shí)代就從事透射電子顯微鏡研究，觀測原子核極小尺度表面，所以，轉(zhuǎn)向納米研究也是很自然的選擇。我博士論文做的就是納米方面的，當(dāng)時(shí)不叫納米，叫small particle，小顆粒?？梢哉f，我是從1983年開始做納米研究的。

　　記者：你為何在2000年調(diào)轉(zhuǎn)了研究方向?

　　王中林：我在碳納米管方向上工作了三四年后，就開始思索這種納米結(jié)構(gòu)有多大應(yīng)用前景。納米管是金屬還是半導(dǎo)體取決于其螺旋屬性，由于當(dāng)時(shí)人們很難控制納米管的空間螺旋性，它的導(dǎo)電屬性通常是隨機(jī)出現(xiàn)。我當(dāng)時(shí)想，為什么不用氧化物，后來我就開始用氧化鋅了。氧化鋅有很容易控制的結(jié)構(gòu)，它是光學(xué)透明的半導(dǎo)體，具有壓電性，即可以將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號(hào)，并且具有可控的形貌和結(jié)構(gòu)，它還可以在50-80度的相對低溫下合成，用化學(xué)燒杯就可以在任意形狀的襯底上生長。它還具有生物相容性，也就是說對生物體是安全的，是綠色材料。

　　
王中林院士開創(chuàng)的納米發(fā)電機(jī)及其自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的學(xué)科發(fā)展圖

　　氧化鋅是一項(xiàng)極其重要的材料。英國《物理世界》2008年曾刊文說，在物理范疇，氧化鋅納米材料是和暗物質(zhì)、量子計(jì)算、半導(dǎo)體薄膜、碳納米管具有同等重要的地位和影響。2008年全世界發(fā)表的有關(guān)氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的文章就超過了600篇，我2001年發(fā)表的氧化納米帶一文正是所有這些文章的開創(chuàng)篇。

　　記者：氧化鋅的研究和納米發(fā)電機(jī)之間有何關(guān)聯(lián)?

　　王中林：納米器件具有尺寸小、功率小、反應(yīng)靈敏等優(yōu)勢。但之前所有研究都是集中在納米器件本身，沒考慮它的電源問題。這些微小器件工作必須要有電源，只有實(shí)現(xiàn)了自帶電源的納米器件才能被視為真正的納米系統(tǒng)。這將在生物醫(yī)學(xué)、軍事、無線通信、無線傳感等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

　　生活中機(jī)械能無處不在，走路的腳步、心臟的跳動(dòng)、肌肉的拉伸、空氣的流動(dòng)、馬路上的噪聲、微風(fēng)。能把這些能量轉(zhuǎn)化成電能嗎?2005年，我的學(xué)生宋金會(huì)發(fā)現(xiàn)了解決難題的方法。我們利用豎直結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米線的獨(dú)特性，在原子力顯微鏡AFM的幫助下，研制出將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的世界上最小的發(fā)電裝置——納米發(fā)電機(jī)。

　　納米發(fā)電機(jī)是新時(shí)代能源的基石

　　記者：納米發(fā)電機(jī)被視為劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)明，甚至被評為可以與手機(jī)發(fā)明具有同等重要性的技術(shù)。你如何看待它的重要性?

　　王中林：納米發(fā)電機(jī)的重要性我覺得怎么描述都不為過。它的發(fā)明不僅為實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的微型化帶來了可能，更重要的是，對于實(shí)現(xiàn)具有完全無線，可生物植入，以及長時(shí)期甚至終生無需照管的納米或微電子器件，納米發(fā)電機(jī)提供了一種理想的電源系統(tǒng)。

　　要使納米發(fā)電機(jī)能廣泛應(yīng)用到各個(gè)方面，最重要的環(huán)節(jié)就是要降低納米發(fā)電機(jī)的響應(yīng)頻率。我們利用溶液化學(xué)方法將氧化鋅納米線沿徑向均勻生長在纖維表面，運(yùn)用兩根纖維模擬了將低頻震動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的過程。這就為實(shí)現(xiàn)柔軟、可折疊的電源系統(tǒng)，比如發(fā)電衣等打下了基礎(chǔ)。

　　我們利用交流納米發(fā)電機(jī)的原理，實(shí)現(xiàn)了利用生物體活動(dòng)帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)。比如，微小的手指敲動(dòng)和肢體運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生電能。將幾個(gè)交流納米發(fā)電機(jī)固定在一個(gè)彈性馬甲上，穿在倉鼠身上，倉鼠的跑動(dòng)來帶動(dòng)馬甲的拉動(dòng)，馬甲的拉動(dòng)又會(huì)拉升氧化鋅納米線，進(jìn)而將這種跑動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在倉鼠跑動(dòng)下工作的納米發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生高達(dá)兩百毫伏的電壓。

　　傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)要求機(jī)械運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度必須大到足以帶動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以只能用來收集比如人的退步運(yùn)動(dòng)等高強(qiáng)度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，但納米發(fā)電機(jī)可以收集從低頻到高頻，從輕微運(yùn)動(dòng)到劇烈的機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)化為電能。其次，通常我們說的電流是傳導(dǎo)電流，而納米發(fā)電機(jī)是通過位移產(chǎn)生電流。比如說，你穿一件這種材料的衣服，你在跑步、走路，你的衣服被微風(fēng)吹動(dòng)，你的衣服就能成為一個(gè)發(fā)電機(jī)，從而將你身體的各個(gè)健康指標(biāo)傳輸出來。將這個(gè)做在鞋墊里面，人走路可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電，供給傳感器和GPS，可以用于人體康復(fù)和定位。我們還可以將其集成進(jìn)生物系統(tǒng)，用肌肉運(yùn)動(dòng)發(fā)電，用血液流動(dòng)發(fā)電，還可以用聲波、噪聲、微風(fēng)等發(fā)電。過去心臟起搏器需要定期更換電池，如今我們已經(jīng)利用小白鼠的呼吸來驅(qū)動(dòng)心臟起搏器，如果用到人體，僅通過呼吸就能夠驅(qū)動(dòng)心臟起搏器。某種程度上，你可以說，納米發(fā)電機(jī)為解決新時(shí)代的能源問題提供了一種出路，它是新時(shí)代能源的基石。

　　10月22日，意大利總統(tǒng)馬塔雷拉為王中林(左一)頒發(fā)埃尼獎(jiǎng)獎(jiǎng)?wù)?/p>

　　記者：摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)明是不是也具有偶然性?

　　王中林：2011年，我讓學(xué)生去做電紡絲仿壓電材料發(fā)電，學(xué)生去做測時(shí)發(fā)現(xiàn)，以前輸出電壓本應(yīng)該是1伏，但最近幾次實(shí)驗(yàn)，輸出電壓竟然達(dá)到5伏以上。后來調(diào)查原因時(shí)發(fā)現(xiàn)，是學(xué)生在做納米發(fā)電機(jī)的時(shí)候沒有封裝好所致。后來我對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)，兩種高分子材料相接觸的過程中可以產(chǎn)生電，就發(fā)明了摩擦納米發(fā)電機(jī)。摩擦發(fā)電裝置簡單、輕巧，在未來可以被應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、便攜設(shè)備的充電等，還可以用作給做終端傳感設(shè)備供電，在航天、通信領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用。

　　記者：納米發(fā)電機(jī)要轉(zhuǎn)為應(yīng)用，還需要做哪些工作?

　　王中林：前幾年我們一直在做的是提高納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電電壓。如果我們可以達(dá)到零點(diǎn)幾伏電壓，比如0.5伏，它就會(huì)非常有用，就可以將其用于生物探測器，比如癌癥探測器、血糖探測器等生物探測器。納米新能源的產(chǎn)業(yè)化，正是我未來5年的工作方向，我預(yù)計(jì)，5年內(nèi)納米能源的利用會(huì)達(dá)到高峰。

　　記者：你能取得這么大的成就，秘訣在哪里?

　　王中林：一是不吃老本，時(shí)刻保持對新知識(shí)的饑餓感;二是堅(jiān)持不懈，鍥而不舍。做科研要把眼光放在未來的工作上。搞科研就像爬坡，直上直下有時(shí)很困難，盤旋著螺旋上升，繞一下反而會(huì)容易很多，換個(gè)思路講短期的結(jié)果應(yīng)用于其他領(lǐng)域，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生“柳暗花明又一村”的驚喜。

　　本文摘自：《廣州日報(bào)》