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第一章：回国

继科学家颜宁之后，又一位被誉为纳米能源研究领域奠基人的华裔科学家近期结束了在美国大学近30年的职业生涯，回到北京中科院任职。这可是学术界的大牛，而很多人可能连“纳米能源”都没有听说过，今天就来讲讲“纳米发电机之父”王中林院士到底在研究什么。

小的时候大家应该都有在冬天干燥环境下，头发被摩擦起电的经历，如果这种电能能够替代化石能源呢？实际上，空气或水的流动、空调挂机的运转、汽车引擎的转动、人行走时肌肉的伸缩或者对地面的摩擦、手指的摩擦，甚至我们呼吸、血液循环、心跳带来的体内压力变化，都在产生着能量——血液流动产生的能量约为0.93瓦，呼吸也能产生0.83瓦的能量，人行走可以产生67瓦的能量，这些能量其实能够带动纳米发电机，进而产生真正日常所用的电能。

纳米发电机中的一种样式

简单来说，王中林院士的成果“纳米发电机”，能在纳米（十亿分之一米）尺度范围内，将机械能直接转换成电能。

如果关注材料学进展就会发现，经常会有尺寸微小、功耗低、反应灵敏的纳米器件和纳米机器人出现，它们可以完成精密医疗、遥感等普通人力所不逮的细分领域，但全球众多研究者都面临着同一个问题：不管纳米器件有多小、多精密，还是要依赖一个相对庞大的外界电源。常规电池中又含有对人体有害的毒性物质，导致一些医用的纳米器件无法植入体内，只能作为手术工具使用。

这就像拿着锤子找钉子，必须要同步实现器件和电源的小型化，才能真正进入围观世界。

而纳米发电机的关键还不仅仅在于尺寸微小，更重要的是，它能将高度分散、随机且难以利用的能量利用起来，积小成大，最终得到的能源或许比我们现在的光伏、海上风机还要瞩目，这点具体怎么实现会在后文中细讲。

王中林与李政道（右）合影

先简单介绍一下王中林院士的学术之路。1982年毕业于西北电讯工程学院（现名西安电子科技大学）的王院士，当年是经由李政道在1979年发起的“中美联合招考物理研究生项目（CUSPEA）”进入亚利桑那州立大学而成为物理学博士的。CUSPEA相当于在正常申请路径之外，另辟了一条给当时没有托福、GRE考试的中国学子。

这个项目是李政道、秦惠箬夫妇当年因忧心国内科研人才青黄不接的状况，而着力推动的人才海外培养计划，共历时10年。像王中林一样通过CUSPEA出国的中国学生共有915名，现在不管是在国内还是海外几乎都是各个行业的翘楚，比如现任清华大学天文系主任的毛淑德、上海智坤半导体有限公司董事长朱晓东博士、国家自然科学基金委副主任谢心澄院士等等，而王中林院士这次也延续了“薪火相传”的传统。其实在回国前，王院士已经担任了中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长，这次回国全职从事尖端纳米技术的研究也是情有可缘。

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何为纳米发电机?

再来说说王院士最突出的成就：纳米发电机，它的原理是什么，具体是怎么工作的。

传统发电机大部分是电磁发电机，也就是物理学基础中法拉第提出的电磁感应原理“磁铁穿过线圈可以产生电流”。利用这一原理，科学家发明出动力发电机，把水力、风力、火力、核能变成电能。

但是纳米发电机不一样，纳米发电机分三种：压电、摩擦及热释电。压电纳米发电机指的是一种具有“压电效应”的材料，在受到机械应力（如压缩或拉伸）时，会产生电荷，比如石英、钛酸钡和锆钛酸铅（PZT）等材料，在受到压力时，其内部电偶极子会发生重新排列，从随机无序变成有序，最终在表面出现电。2007年，王中林团队就已经做出了压电纳米机，但这并不是他们目前研究的重点方向。

热释电纳米发电机的原理和压电发电机很像，都是因为材料会对外部刺激反应，造成内部电偶极子重新排列从而产生电能，只不过压电发动机是对压力有反应，而热释电则是对温度敏感。 例如钽酸锂、钛酸钡这些材料，会因为温度的变化引起材料内部晶格结构的变化，从而导致电荷移动和电势生成。

重点需要讲一下的还是摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，TENG）。在物理学研究中，摩擦效应一直是被视为负效应，一般研究的目的都是为了减少摩擦的效应，而摩擦纳米发电就是要把这个“负效应”变为“正效应”。

“摩擦起电”学名叫“接触起电”，意味着电荷是可以通过物理接触直接产生的，同样是将机械能转化为电能。材料具有摩擦电效应则是指，两个不同材料的表面通过接触和摩擦后，因电荷转移而产生静电电荷的现象；当这些材料分开时，会在其表面产生电势差，从而可以被收集并转换为电流。由于TENG是这三种路线中输出电流最大的，利用可能性最高，所以是目前该领域的研究重点。

TENG可以分为四种结构

而TENG根据结构和工作模式的不同又能分成四种类型: 垂直接触－分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立层模式。同时，为了提升TENG的机械能向电能转化的效率及性能，研究者主要通过优化结构、合理的材料选择和纳米级的表面改性这三种方式来实现，这也是为什么定语中的“纳米”不能丢。

垂直接触－分离模式中，两种摩擦介质以面对面堆叠形式放置，背面附有金属电极。当两个材料表面接触时，产生静电荷，当外力使表面分离时，电荷也被分离，这会在电极之间产生感应电势差，也就是一个带正电一个带负电，连着背后的电极它就是一种“纳米电池”。

水平滑动很好理解，就是横向摩擦，可以是平面的，也可以是圆柱、圆盘类型，在滑动过程中产生的摩擦电荷导致电极之间出现交变的电流输出。

“单电极模式”指的是其中一个电极直接接地，相当于电子在摩擦材料和大地之间移动交换，从而形成电流。这个设计主要是考虑到，有一个摩擦对象是活动的部件，没法挂上电极，比如汽车轮胎。

独立层模式也差不多，只不过是一个“自由”的摩擦材料，在两个固定的电极上来回震荡，基于接触起电和静电感应，摩擦材料的往复运动会导致电势差变化，也就是产生不均匀电荷分布，驱动电流流动。

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把忽略的能源用起来

原理理解了，这个微小的如同电池的发电机又有什么用处？首先要明白，用在产业界的时候，纳米发电机会有更多更复杂的设计，只不过思路都是相通的。

有两个领域最适用这个技术，一个是穿戴设备、传感装置，另一个是能源领域。

可用于可穿戴设备采集电能

TENG乃至于其他纳米发电机技术，都可以随时随地利用人类行走或智能设备运动所产生的动能，将其转化为电能，为电子设备进行充电。比如想实时测量体温不需要一个电子体温计，只需要带上一个纳米发电设备，摇晃两下衣服就能准确测量，这种健康监护市场也有一个专门的研究赛道“微纳能源”。还有一点更实用的是用在心脏起搏器上，利用心跳发电，这样就无需定期开刀换电池了，视线再大一点，还能用在物联网、环境监测和国防技术等方面。

可再生绿色能源领域，传统基于电磁感应发电技术的发电风车具有体积大、质量大、成本高、低风速驱动难等问题，虽然我们之前提过各种各样的新型风力发电设备，但其实都伴有结构复杂、输出效率低的缺憾，弱风环境下更是难用。

摩擦纳米发电机能把这部分浪费的风力利用起来。比如，在一堵墙上打几个蜂窝状的小洞，只要有风、有摩擦就能有电，顶多就是改变一下TENG的机构。

可能有人会问，为什么要投入资源去研究一个看起来极其微小的能源技术？因为随着技术发展，未来国内一定会有巨大的能源需求，同时能源问题又迟早要转型，新的能源产生方式自然越多越好。不是要抛弃传统方式，而是多一种可能。