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超声波驱动式纳米发电机问世

http://www.sina.com.cn 2007年04月06日 10:25  科学时报

  本报北京4月5日讯 (记者 王丹红) 继去年研制出世界上最小的发电机——纳米发电机后,美国佐治亚理工学院教授王中林的研究小组再次开发出由超声波驱动的直流纳米发电机。这一最新的成果发表在4月6日出版的美国《科学》杂志上。两位评审人对该工作给予高度的评价。一位审稿人认为这是一项极具原创性的科研成果;另一审稿人认为该工作是纳米科技研发的典范,未来在医学生物、国防技术、能源技术和日常生活方面的应用将非常广泛。

  王中林说,去年的工作是在原子力显微镜的帮助下,通过压电材料合成的单根纳米线将机械能转化成电能;今年工作的突破性进展是摆脱对原子力显微镜的依赖,使一列纳米线能够同时、连续和“独立”地吸收外界环境中的机械能,并完成到电能的转化与释放,为技术转化和应用奠定了原理性的基础并迈出了关键性的一步。

  在研究过程中,王中林和博士后王旭东以及博士生宋金会、刘晋组成了研究小组。他们让氧化锌纳米线在单晶氮化镓衬底上均匀地竖起生长。在纳米线的生长过程中,由于催化剂的作用,一层氧化锌薄膜同时沉积在所有纳米线的底端,因此可以直接用于纳米发电机的一个电极。而另一个电极则被放置于纳米线的顶端,并用柔软的聚合物将四周固定。为了能实现电能的储存和释放,顶部电极与纳米线的接触面被设计成了锯齿状并覆盖了一层数百纳米厚的金属铂(如图)。锯齿状电极是该发明的核心,它模拟了一列拨动纳米线针尖阵列的作用。在顶部电极和纳米线之间还留有一个很小的间隙,使得它们能够进行一定程度上的相对振动或形变。当外界环境中的振动波(在实验中用超声波代替)传到纳米发电机上时,会导致顶部电极的上下振动以及纳米线的左右摆动或共振。

  王中林说,摆动中的纳米线将很有可能接触到与之相邻的铂电极表面,由于纳米线所具有的压电效应和它与铂电极间形成的肖特基势垒,每次接触均是通过纳米线带负电势的内表面把形变产生的压电电能释放出来。肖特基势垒的整流作用使得输出的电流为直流,纳米发电机表现出了对超声波良好的响应。在41千赫的超声波的作用下,只有2平方毫米面积的基片能输出约1纳安(nA)的连续电流,并且其电流输出可以保持一个多小时而没有任何衰减。这一原创性设计在世界上率先实现了一种适应性广、生产成本低,并能从周围环境中收集并转换能量的纳米发电机。

  谈到超声波驱动的纳米发电机的意义,王中林认为这可被视为纳米压电发电由科学现象到实际应用过程中的一个里程碑性的进展。“它能收集周围环境中微小的振动机械能并转变为电能,来为其他纳米器件,如传感器、探测器等提供能量。这种振动机械能普遍存在于自然界以及人们日常生活中,如空气或水的流动、引擎的转动、空调或其他机器的运转等引起的各种频率的噪音,人行走时肌肉伸缩能或脚对地的压缩能等。”他说,“甚至在人体内由于呼吸、心跳或是血液流动带来的体内某处压力的细微变化也有可能带动纳米发电机产生电能。因此,纳米发电机的发明不仅为实现

能源系统的微型化带来了可能,更重要的是,对于实现具有完全无线、可生物植入以及长时期甚至终生无需照管的纳米或微电子器件,纳米发电机提供了一种理想的电源系统。”

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