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[信息] 奈米发电机

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发表于 2008-11-30 00:11:23 | 显示全部楼层

奈米发电机


自我供电新趋势:奈米发电机曙光初露

根据乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员稍早前所做的一项展示,首个奈米级压电发电机(nanogenerator)将可望运用日常环境中的运动为小型设备供电。

「我们的研究首次实现了奈米级能量转换,」乔治亚理工学院的材料科学暨工程学教授Zhong Lin Wang说。「我们的压电奈米发电机转换振动能量,将来自于声学或超音波、水力能量、或来自体液或血液流动的能量转换为电能,从而在无需使用电池情况下为小型设备供电。」

为证实其研究,Wang将奈米级氧化锌压电奈米线阵列与蓝宝石基板垂直排列,并结合了材料的压电与半导体特性。虽然Wang的研究小组尚未开发出一种无需电池的设备,于是他们採用一个原子力显微镜(AFM)来展示压电半导体阵列的机械运动状态,以及其如何为未来的无电池设备充电。

「我们的首个展示证实了如何结合压电与半导体特性,以控制像生物感测器等无线设备的充电及放电过程,这种设备可能会植入人体,且无需电池就能自我供电,」Wang说。

这项展示显示,压电奈米发电机距离为商用化设备供电还需数年时间,但重点是其发展潜力。以奈米级压电材料将机械能量转换为电能将为未来的无线应用奠定基础,该研究小组表示。除了简化的医疗植入装置外,压电奈米发电机还能为远端感测器提供动力,甚至为传统电池充电。例如,研究人员还设想在野外的士兵可穿着内建奈米发电机的制服,便能透过其正常的身体运动为其通讯系统电池充电。

「奈米发电机可望成为即时的可植入性生物感测、生物医疗监控与生物检测等应用基础,而且在防御及一般民用市场具备极大潜力,」Wang说。他同时指出,奈米发电机「还能透过自环境中获得能量,建构出一种无线、自我供电的感测器。」

压电材料是由居里夫妇(Pierre Curie与Jacques Curie)发现,他们在1880年首次展示了如何透过运动产生电能,并建构了全球首个压电感测器。之后一年,Pierre Curie的兄弟发现了将运动从施加的电能转换为另一种型态的作用,称之为逆变效应。这些压电技术的展示让法国的军事科学家在1917年建构出全球首个超音波潜水艇探测器,这就是声纳的原型。

当时,压电材料必须从石英体中开採;这些石英体仍可作为频率参考与弹性测试器等用途,同时可在声学全像技术中用以探测结构中的微小缺陷。然而,今天的压电材料能在实验室中製造,而且能实现各式各漾的合成複合物,从陶瓷变换器、麦克风、加速计、起动器到表面声波滤波器都包含在内。合成的压电材料同时可作为取代螺线管的固态装置,而且可作为微机电机系统的静电「肌肉」。

Wang偏爱的材料是氧化锌,由于其结晶结构为非对称,因此这种材料可作为压电半导体。单晶体氧化锌分子永远将其氧离子端与基板垂直排列,而锌则呈现直立,与表面垂直。由于锌带正电荷,而氧离子带负电荷,结果将形成静电极化──个垂直的偶极距将永久成为极化表面。

这种压电材料的永久极化能赋予它们在变形时产生电能的独特能力,如使用感测器时;而当透过外部电能驱动时则产生物理(或外在)形变畸变,如使用压电型扬声器。基本上,将材料弯曲以在单端上集中电荷并在反面的表面上延展相反的电荷,将能在压电材料中实现内部的ac操作。

2003年,Wang曾经展示过氧化锌压电材料,并可製作成奈米弹簧(nanospring)。他利用固态蒸气压蒸发製程,在具有氩气与1,350℃的真空环境下沉淀出高纯度氧化锌粉末以製造这种材料。经过测量,Wang的奈米弹簧宽仅10~60奈米,厚仅 5~20nm,其线圈直径经测量为500~800nm,且长度可达数百微米。他同时对这些奈米弹簧进行了功能化,并证实一些特殊物质可能使其应用于医疗诊断。

Wang在他的新研究中使用了相同的氧化锌材料,并使它们形成垂直生长在蓝宝石基板上的奈米线阵列。这些奈米线高约200~500nm,宽约20~40nm。透过在蓝宝石基板上播撒金奈米粒子作为催化剂,这些奈米线将以100nm的间距成长。每当奈米线偏斜时,他们便会在朝向弯曲的一端集中电荷,当这种现象消失时,便会来回地引发电流以控制奈米线的成长。

Wang用原子力显微镜证实了其发电能力,他用针尖拨动奈米线使之变形。当针尖迅速自变形的奈米线一端移开时,变形奈米线就开始来回地振动,因而产生电流。

这些奈米线已证实其耐久性足以弯曲达50度而不会断裂。Wang估计,约30%的输入机械能量将被转换成电能。

Wang同时在北京大学与中国奈米科学国家中心任职。他在乔治亚理工学院与博士候选人Jinhui Song共同进行研究。

Wang的下一步是建构一种真正可发电的材料,这种材料将可产生更多电能。小型设备仅需数微安培的电力,这可透过约10平方微米的小型奈米发电机阵列来提供,Wang说。

然而,Wang希望展示能够整合以应对更大供电需求的大型奈米发电机阵列。

「未来,我们希望利用生长在金属薄片、可挠性有机塑胶基板、陶瓷基板与複合物半导体等基板上的奈米材料,製造出大功率输出的发电机,」Wang说。

国家科学基金会、NASA太空梭系统计划与美国国防部先进计划研究局均赞助了Wang的研究小组。

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