纳米发电机三五年内可为小型电子设备供电

上一篇 / 下一篇  2011-03-20 17:23:33

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美国佐治亚理工大学学院材料科学和工程系教授王中林领导的研究团队表示,经过长达5年的研发,他们制造的纳米发电机能够给传统的小型电子设备提供电力,点亮一台小型液晶显示屏(LCD)。据美国物理学家组织网报道,这种纳米发电机使用一排纤细的纳米线从周围环境中收集机械能,然后将其转化为电能,给电子设备提供电力。

除此之外,王中林和同事最近在纳米发电机领域还取得了其他一系列的进步,包括发表在上周的《纳米快报》网络版上的更加简单的纳米发电机构建技术,以及更早发表在《纳米快报》和《自然—通信》上的研究成果等。

王中林表示,尽管现在纳米发电机产生的电流低于诸如iPod或心脏起搏器等设备所需的电流,但是,三五年之内,纳米发电机就可以为iPod或者心脏起搏器充电。

提高输出电力

纳米发电机项目由美国国防部高级研究计划局(DARPA)、美国空军和美国国家科学基金会资助。2006年初,王中林在美国《科学》杂志上发表论文指出,可通过由压电材料合成的纳米线将机械能转化为电能,并首次提出了纳米发电机的原理。

王中林的纳米发电机主要依靠诸如氧化锌等晶体材料中出现的压电效应。压电效应指晶体材料在机械压力下可产生电势。通过捕捉和收集氧化锌纳米线产生的电荷,能够产生3伏电压,大约300毫微安的电流。

在最新的实验中,机械能来自于研究人员对位于两个手指之间的一台纳米发电机的按压动作。在其他情况下,机械能也可能来自心跳、徒步旅行者的鞋子踏在路上的重量、衣服在风的吹拂下发出的沙沙声等。

王中林表示,通过简化设计,使设备更加稳定,并且将更多纳米线产生的电力结合在一起,他们成功提高了纳米线产生的电力,足以驱动液晶显示屏、激光器、发光二极管等电子设备。

在另一篇发表于《纳米快报》的论文中,王中林和其他同事报告了另外一项提高纳米发电机输出电力的研究进展。他们的方法包括两个步骤:首先将垂直的氧化锌纳米线转移到一个聚合物接收衬底上以形成水平的纳米线阵列,然后用平行的带状电极将所有纳米线连接在一起。使用单层的这种结构,研究人员产生了2.03伏特的开路电压,并且获得了每立方厘米约11毫瓦特的最高输出能量密度。

王中林表示,比起当前的发电设备,纳米发电机有多项优点。它们不像许多压电材料那样需要有毒重金属,这使其非常环保,而且嵌入到人体内也不会对健康造成伤害。它们还可以在低于水的沸点的温度,即低于制造标准电子元件所需的温度下制成。此外,这种发电机“很有可能可以大批量生产”,这样,它们就能够“飞入寻常百姓家”,应用于生活的各个方面。

王中林指出,从2005年开始研究纳米发电机到现在,纳米发电机的输出电力已经大为提高,目前的纳米发电机产生的电流强度与一年前相比已经提高了100倍。如果持续不断地改进技术,三五年内,就可以将纳米发电机真正应用在保健设备、个人电子产品以及环境监测设备上。

简化组配技术

最早的氧化锌纳米发电机使用固定在一个坚硬衬底上的纳米阵列,该纳米阵列上部连接了一个金属电极;而后来的纳米发电机可将纳米线两端嵌入聚合物内,通过简单地弯曲纳米线来产生电力。不考虑其线路布局,构建出这样的纳米发电机不仅需要小心地“种植”纳米线,而且还要进行辛苦的组装工作。

在最新的论文中,王中林团队报告了一种更加简单的装配技术。首先,他们种植了一类新的纳米线阵列,并将这些呈圆锥形纳米线从衬底上切除,放入乙醇溶液中,随后再将这种包含了纳米线的溶液滴在一个细小的金属电极和一块柔软的聚合物薄膜上。待乙醇挥发后,出现了一层新的纳米线/聚合物层,最后再利用大量的纳米线/聚合物层组建成一类复合材料。王中林认为,这种过程可以对纳米发电机进行大规模的生产。

得到的纳米发电机大小约为2厘米×1.5厘米,当它被弯曲时,产生的电力足以点亮一个袖珍型计算器上的显示屏。

PZT制造纳米线

在另外一篇发表于《自然—通信》网络版的论文中,王中林和其他同事报告了一种新方法——使用锆钛酸(PZT)来装配压电纳米线。PZT是将二氧化铅、锆酸铅、钛酸铅在1200摄氏度高温下烧结而成的多晶体。

研究团队报告了首个可在导电和不导电衬底上的化学晶膜上生长的垂直式PZT单晶纳米线阵列。演示过程中,通过使用一个整流电路把交流电转换为直流电,PZT纳米发电机为一个激光二极管提供了电力,这表明,PZT也可以成为纳米发电机的组成原料。

王中林表示,尽管在发电方面PZT的表现不如氧化锌好,但这种替代材料可让研究人员根据需要灵活选择最好的材料。

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