青島日?qǐng)?bào)社/觀海新聞11月10日訊 無(wú)需電池，當(dāng)人在走動(dòng)，甚至是心跳、呼吸的時(shí)候就可以不斷為小型電子器件充電、供電，這聽(tīng)起來(lái)是不是有些“科幻”？日前，青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院龍?jiān)茲山淌趫F(tuán)隊(duì)與中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士合作，研發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型直流摩擦納米發(fā)電機(jī)，成功實(shí)現(xiàn)了直流電的穩(wěn)定、高效輸出，將來(lái)有望為可植入醫(yī)療器械、可穿戴電子設(shè)備等小型電子器件提供持續(xù)的“自驅(qū)動(dòng)”能源。
顧名思義，納米發(fā)電機(jī)是在納米尺度內(nèi)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，可謂世界上最小的發(fā)電機(jī)。而摩擦起電，是日常生活中十分常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，但是許多摩擦產(chǎn)生的電能往往被忽視與浪費(fèi)掉了。如何將摩擦產(chǎn)生的電能收集起來(lái)，就是摩擦納米發(fā)電機(jī)所研究的主要內(nèi)容。龍?jiān)茲筛嬖V觀海新聞?dòng)浾撸Σ良{米發(fā)電機(jī)可將環(huán)境中的機(jī)械能（摩擦）轉(zhuǎn)化成電能，從而取代電池，為自驅(qū)動(dòng)電子器件提供持續(xù)能源，是一種理想的“綠色能源”。但是傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的是交流電，需要額外利用一個(gè)整流器來(lái)獲得直流電才能驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備，這極大地限制了能源系統(tǒng)的便攜性、微型化和能源效率，也限制了納米發(fā)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。
直流摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能測(cè)試。
為了破解這個(gè)難題，龍?jiān)茲蓤F(tuán)隊(duì)首創(chuàng)性地設(shè)計(jì)選擇具有不同電子獲取能力的三種材料（例如銅、木頭和鋁）作為納米發(fā)電機(jī)電極，就如同從高到低的三級(jí)臺(tái)階一樣，實(shí)現(xiàn)了電子的單向流動(dòng)，成功輸出了穩(wěn)定、高效的直流電。“日常生活中的摩擦是一種往復(fù)循環(huán)的周期性運(yùn)動(dòng)，是一種‘來(lái)回’的運(yùn)動(dòng)。參與摩擦的物體一般只有兩種，所以結(jié)果必定是一種物體帶正電而另一種物體帶負(fù)電，而電荷只會(huì)在這兩種物體間來(lái)回運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這種模式設(shè)計(jì)的摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的都是交流電，無(wú)法直接為小型電子設(shè)備供電。”團(tuán)隊(duì)博士研究生宋威志介紹說(shuō)，“在我們的這項(xiàng)研究中，摩擦材料增加到三種，構(gòu)成了電荷單向流動(dòng)通道，實(shí)現(xiàn)了直流輸出，解決了傳統(tǒng)摩擦納米發(fā)電機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題，并且在實(shí)驗(yàn)中成功點(diǎn)亮了小型電子設(shè)備，為納米發(fā)電機(jī)走向?qū)嶋H應(yīng)用鋪平了道路。”
直流摩擦納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小型濕度表工作。
隨著物聯(lián)網(wǎng)傳感器以及電子科技的不斷發(fā)展，各種微型傳感器、可植入醫(yī)療設(shè)備和可穿戴電子設(shè)備呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的就是巨大的供電問(wèn)題。龍?jiān)茲烧f(shuō)，比如心臟起搏器目前還是靠電池來(lái)驅(qū)動(dòng)，但電池壽命有限，更換電池需要給患者再次做手術(shù)，成本高、風(fēng)險(xiǎn)大；理論上講，直流摩擦納米發(fā)電機(jī)可以把心臟跳動(dòng)這種人體活動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽驗(yàn)樾奶梢源偈拱l(fā)電機(jī)的電極不斷摩擦、分開(kāi)，從而產(chǎn)生電流，并進(jìn)一步被收集儲(chǔ)存起來(lái)，驅(qū)動(dòng)心臟起搏器工作。當(dāng)然，真正實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用還需要物理學(xué)、工程學(xué)、醫(yī)學(xué)等專業(yè)的通力合作。不過(guò)，類似的應(yīng)用已經(jīng)存在，比如在口罩上安裝摩擦納米發(fā)電機(jī)，把人的呼吸的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，使口罩過(guò)濾層帶有小電荷，能夠吸附霧霾等微小顆粒，從而提高過(guò)濾效果。（青島日?qǐng)?bào)/觀海新聞?dòng)浾?王沐源）
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