高電壓納米發電機和自驅動納米器件問世

　　(a)基于垂直于基片生長的納米線所設計的納米發電機((VING)。(b)基于平行于基片多行生長的納米線所設計的納米發電機(LING)。(c)基于一行平行于基片生長的氧化鋅納米線所組成的納米發電機。(d)在微小形變下能產生1.2伏輸出電壓的納米發電機的光學照片。

　　繼2006年發明納米發電機后，中國科學院外籍院士、美國佐治亞理工學院教授王中林小組最近開發出具有高電壓輸出的納米發電機，并首次實現了基于全納米線的自驅動納米體系，新成果發表在3月28日在線出版的《自然—納米技術》期刊上。

　　論文的三位審稿人對該工作給予高度評價：“該研究小組一直是致力于基于氧化鋅納米線的納米新能源研究先驅，論文中報告的工作不僅是納米發電機性能上的一大突破，也為納米新能源的設計、裝配和使用壽命的提高等提供了新方法和新思路……該工作是納米科技創新的典范，將在未來自驅動的化學、生物、醫學傳感探測器等無線搖控的納米器中發揮重要作用。”

　　自從發明納米發電機后，王中林小組相繼發明了超聲波驅動直流納米發電機、纖維納米發電機，以及在柔性襯底上的低頻率振動交流納米發電機。然而，輸出電壓小一直是限制這些納米發電機實際應用于納米科技領域的一個瓶頸問題。為了攻克這一技術難題，小組成員徐升、秦勇和許晨等，在兩年的時間里經過上千次實驗，研制出基于豎直氧化鋅納米線陣列的多層交流發電機，以及基于水平氧化鋅納米陣列的多排交流發電機。其中，當三層豎直氧化鋅納米線陣列交流發電機相互串聯連接時，輸入電壓可提高到0.243伏特。這個值接近二極管的閾門電壓，使得輸出電荷的儲存成為可能。與此同時，運用低溫水熱分解方法，通過巧妙的實驗設計和組裝，研究小組在一般的柔性基底上成功合成出700余列生長方向和晶格取向都平行排列的水平氧化鋅納米陣列。這些水平納米線相互串并聯連接在一起，在僅僅0.19%的慢性形變下，就將輸出電壓提高到了1.26伏特。王中林認為，這一突破性進展將極大地推動納米發電機在納米科技領域的實際應用。

　　此外，在這兩種不同構型的交流納米發電機中，氧化鋅納米線的兩端都與輸出電機緊密接觸，避免了納米線與電極之間的摩擦和損耗，從而大大提高了發電機的穩定性和壽命。而交流納米發電機被封裝在彈性材料中，又大大拓展了它的工作環境和應用范圍。王中林說，這種三維設計的多層納米發電機也為未來大規模實際應用提供了一條可行的實施方案，如收集風能、潮汐能、引擎的轉動、空調或其他機器運轉時的機械能、人行走時肌肉的伸縮能或腳對地面的壓縮能，甚至在人體內由于呼吸、心跳或血液流動帶來的體內某處壓力的細微變化而產生的機械能等。

　　早在2006年，王中林提出，提高納米發電機輸出電壓和功率的最終目標就是實現納米器件的自驅動化，即不需要外接電源或電池。如今，通過將一個基于氧化鋅納米線的pH傳感器或者是紫外線傳感器串聯到一個基于氧化鋅豎直納米線陣列的交流發電機上，他的研究小組成功實現了基于全氧化鋅納米線的自驅動納米體系。在這個納米體系中，交流納米發電機通過采集周圍環境中的微小機械振動，為納米傳感器的持續工作提供電能。隨著外界條件的變化，傳感器自身的電阻相應變化，因而在電路中傳感器兩端的電壓降也隨著相應變化。這是實現自驅動納米體系的關鍵一步。他說：“值得注意的是，研究中考察的納米傳感器只需要范圍在20～40毫伏的電壓即可工作。另外，實現基于全氧化鋅納米線的自驅動納米體系，為將來實現可植入生物活體的自驅動納米探測器提供了原始模型。這項原創性發明未來將在生物醫學、國防和百姓生活中擁有廣泛的應用前景。”