王中林小組首次實現高功率納米發電機驅動常規電子器件

　　中國科學院外籍院士、美國佐治亞理工學院王中林領導的研究小組，首次研發出一系列基于壓電納米材料的大功率納米發電機（Nanogenerator），輸出電壓達2～3伏，并將其首次成功應用于驅動常規電子器件。這一系列最新進展的3篇論文分別發表在7月和10月出版的美國《納米快報》和英國的《自然—通訊》上。

　　審稿人認為，該研究成果對納米發電機的發展和應用具有里程碑式的意義，為納米新能源的開發和利用提供了新方法和新思路。它將在電子、生物醫學、環境監測、基礎設施監測、物聯網、軍事國防和人民生活等領域有著極其廣闊的應用前景和影響。

　　據王中林介紹，機械能是日常生活中最廣泛和最豐富的能源之一，機器震動、引擎轉動、身體運動、血液流動甚至呼吸心跳等都是機械能的表現形式。如果能將這些耗散的機械能轉化成電能，那么電子器件或系統將能夠在無外接電源的條件下，從環境中采集能量并長時間地工作，實現自驅動的納米系統。這不僅有著極大的科學意義，也將會對未來人類生活產生深遠的影響。在過去6年中，他領導的納米研究小組一直致力于研發基于新型納米材料的能源轉化和利用，實現了從概念到理論，再到工藝，直至技術應用的持續和飛躍式發展。繼2006年首次利用氧化鋅納米線發明納米發電機的原理以來，該小組相繼研發出高頻驅動直流納米發電機、纖維納米發電機和低頻驅動柔性交流納米發電機。

　　然而，輸出功率小一直是制約納米發電機實際應用的瓶頸。經過兩年多的技術攻關，王中林小組通過巧妙的實驗設計和工藝組裝，終于成功地大幅提升了納米發電機的功率，使之輸出電壓高達3伏，它不但比兩年前提高了40倍，并首次成功驅動了常規電子器件，如發光二極管、激光二極管和小型液晶顯示器等，實現了納米發電機從基礎方法研究到實際應用的突破性進展。

　　其中，由博士生朱光、王思浤和博士后楊如森組成的課題小組，設計和制作出了基于水平氧化鋅納米線陣列的柔性交流發電機。他們首先利用物理氣相法在水平基底上合成出豎直的氧化鋅納米線陣列，然后通過巧妙的實驗裝置將納米線轉移到柔性基底上，形成排列取向和晶格取向都一致的水平氧化鋅納米線陣列；再經過光刻、濺射等工藝，將等間距的條狀金屬電極和納米線緊密結合，最后利用彈性材料將器件封裝完畢。在僅僅0.1%的拉伸應變下，這種集成了大量納米線的納米發電機能夠輸出高達2伏的電壓。為了實現基于納米發電機的自驅動納米技術，這個課題組將該集成納米發電機整合到全橋整流電路中，在充電階段，納米發電機輸出的交流電被電容器有效地儲存起來。當儲存的電量和電壓達到一定數值時，儲存的電能被成功用于驅動一發光二極管。王中林說，這是納米發電機首次成功地驅動常規電子器件，為自驅動納米技術的實際應用提供了一條有效途徑。

　　與此同時，博士后胡又凡、張巖和博士生許晨等組成的課題小組，發展了一種不用電極而依靠壓電電壓引起的極化效應，發明了利用錐形納米線的獨特結構形態來發電的原創性方法。他們在柔性基片上發展出一種高輸出交流納米發電機，并將其用于連續驅動液晶顯示器。該方法具有低成本、高性能的特點，并適應于大規模制造。

　　博士生徐升等組成的課題小組將鉛鋯鈦氧化物（PZT）壓電材料引入到納米發電機的設計中，不但首次實現了利用化學法生長PZT納米線陣列，而且成功展示了由它組裝的納米發電機可以間隔地驅動激光二極管的能力。

　　從基礎科學到工程設計再到技術應用，王中林10年潛心氧化鋅研究，打造了納米發電機的研究品牌。他表示，納米發電機為真正實現自驅動納米技術打下了堅實的理論和技術基礎和路線，而最近在納米發電機方面的突破性進展，則充分證明和演示了該技術的廣闊應用和商業化前景。