纳米发电机能量倍增

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  包含压电纳米线的装置,可以产生足够能量,驱动小功率电子装置。现在,科学家们正在研制新的纳米发电机,将可植入体内,利用生物机械能发电。
  
  一些装置可利用浪费了的机械能,这使得很多新进展成为可能,包括衣物等都可以利用肢体运动为个人电子产品充电,或者医疗植入装置也可利用器官或血液的运动。
  然而,要制造出紧凑、灵活,尤其是高效的能量收集装置,依然是一项巨大的挑战。来自佐治亚理工学院的研究人员已经研制出第一个基于纳米线的发电机,这种发电机能够充分利用机械能,驱动一些小功率装置,比如发光二极管和液晶显示器。
  这种发电机利用了具有压电性能的材料。压电材料受到挤压时能够产生电流(而电流对材料具有反作用,会让材料发生弯曲)。压电电子学已经应用于麦克风、传感器、时钟等其他设备,但是,试图利用生物机械能来使用这些装置,都遇到了障碍,原因是这些装置通常都不易弯曲。压电聚合物确实存在,但都不是很有效。
  佐治亚理工学院纳米结构表征中心主任王中林(ZhonglinWang)一直致力干另一个方向的研究:将微型压电纳米线嵌入弹性材料中。2005年,王中林第一次验证了材料在纳米级别的压电效应。从那以后,他研制出日益复杂的纳米线发电机,并且利用它们来收集各种类型的生物机械能,其中包括奔跑的仓鼠的运动。但是,直到最近,王中林还没能发明一种产品,能够收集足够多的能量来驱动一种装置。
  2011年11月初在《纳米快报》(NanoLetters)杂志网上发表的一篇论文中,王中林的团队介绍,使用的纳米发电机,可以含有更多纳米线,有更大面积,从而可驱动一个小的液晶显示屏。
  为了制造这种发电机,王中林的团队使用如下方法:滴下一滴溶液,其中包含氧化锌纳米线,溶液滴在薄薄的金属电极上,电极装在一片塑料上,这就制成好几层纳米线。然后,他们将此材料用聚合物覆盖,顶部再配上一个电极。由此产生的装置,面积大约15厘米×2厘米,每秒压缩4%,就能够产生2伏的电流,这足以驱动从计算器中取出的液晶显示器。王中林说,“过去我们曾产生过50毫伏的电流,如今,这一装置产生的电流提升了大约20倍。”
  2010年夏季,在《纳米快报》上发表的一篇论文中,王中林展示了一个纳米发电机,每立方厘米能够产生11毫瓦的电,这足够点亮一个液晶显示器。王中林指出,心脏起搏器需要5毫瓦来驱动,而一个iPod需要80毫瓦。他说“我们快要达成这一目标了。”佐治亚理工学院团队设计的装置“功率输出趋于合理,已经达到了一个新的境界。”迈克尔·麦卡尔平(Michael McAIpine)说,他是2010年TR35全球科技创新奖获者,也是普林斯顿大学机械工程教授。“获得令人印象深刻的功率输出,关乎升级问题。”他补充道。王中林和麦卡尔平都在寻找更加高效的材料,用以制作纳米发电机。双方近期都展示了用压电陶瓷制作纳米线的过程,压电陶瓷是一种在商业压电设备中公认为优秀的结晶材料。它是一种包含铅、锆和钛的化合物,也是众所周知最高效的压电材料,但是用压电陶瓷制成纳米线,仍然很困难,因为没有好的催化剂可用来生成压电陶瓷纳米线。
  王中林和麦卡尔平已经找到了解决这一问题的不同方案。王中林处理他的诱导剂(starting solution)是用高温高压,这样就不需要高效催化剂。麦卡尔平则生成了一种平整的压电陶瓷薄膜,然后使用一个模板形成纳米线图案,再用化学蚀刻完成。麦卡尔平表示,压电陶瓷纳米线制作的能量收集器不如氧化锌制成的收集器高效,这是因为人们都是刚刚开始研究这些材料的缘故。
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