青島日報社/觀海新聞11月10日訊 無需電池，當人在走動，甚至是心跳、呼吸的時候就可以不斷為小型電子器件充電、供電，這聽起來是不是有些“科幻”？日前，青島大學物理科學學院龍云澤教授團隊與中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士合作，研發設計了一種新型直流摩擦納米發電機，成功實現了直流電的穩定、高效輸出，將來有望為可植入醫療器械、可穿戴電子設備等小型電子器件提供持續的“自驅動”能源。
顧名思義，納米發電機是在納米尺度內將機械能轉化成電能，可謂世界上最小的發電機。而摩擦起電，是日常生活中十分常見的物理現象，但是許多摩擦產生的電能往往被忽視與浪費掉了。如何將摩擦產生的電能收集起來，就是摩擦納米發電機所研究的主要內容。龍云澤告訴觀海新聞記者，摩擦納米發電機可將環境中的機械能（摩擦）轉化成電能，從而取代電池，為自驅動電子器件提供持續能源，是一種理想的“綠色能源”。但是傳統的摩擦納米發電機產生的是交流電，需要額外利用一個整流器來獲得直流電才能驅動電子設備，這極大地限制了能源系統的便攜性、微型化和能源效率，也限制了納米發電機的實際應用。
直流摩擦納米發電機輸出性能測試。
為了破解這個難題，龍云澤團隊首創性地設計選擇具有不同電子獲取能力的三種材料（例如銅、木頭和鋁）作為納米發電機電極，就如同從高到低的三級臺階一樣，實現了電子的單向流動，成功輸出了穩定、高效的直流電。“日常生活中的摩擦是一種往復循環的周期性運動，是一種‘來回’的運動。參與摩擦的物體一般只有兩種，所以結果必定是一種物體帶正電而另一種物體帶負電，而電荷只會在這兩種物體間來回運動。根據這種模式設計的摩擦納米發電機產生的都是交流電，無法直接為小型電子設備供電。”團隊博士研究生宋威志介紹說，“在我們的這項研究中，摩擦材料增加到三種，構成了電荷單向流動通道，實現了直流輸出，解決了傳統摩擦納米發電機無法解決的問題，并且在實驗中成功點亮了小型電子設備，為納米發電機走向實際應用鋪平了道路。”
直流摩擦納米發電機驅動小型濕度表工作。
隨著物聯網傳感器以及電子科技的不斷發展，各種微型傳感器、可植入醫療設備和可穿戴電子設備呈爆發式增長，隨之而來的就是巨大的供電問題。龍云澤說，比如心臟起搏器目前還是靠電池來驅動，但電池壽命有限，更換電池需要給患者再次做手術，成本高、風險大；理論上講，直流摩擦納米發電機可以把心臟跳動這種人體活動的機械能轉變為電能，因為心跳可以促使發電機的電極不斷摩擦、分開，從而產生電流，并進一步被收集儲存起來，驅動心臟起搏器工作。當然，真正實現這種應用還需要物理學、工程學、醫學等專業的通力合作。不過，類似的應用已經存在，比如在口罩上安裝摩擦納米發電機，把人的呼吸的機械能轉化成電能，使口罩過濾層帶有小電荷，能夠吸附霧霾等微小顆粒，從而提高過濾效果。（青島日報/觀海新聞記者 王沐源）
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