10月22日，世界能源領(lǐng)域最高獎、被譽為“能源界諾貝爾獎”的埃尼獎被授予中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長、中國科學院外籍院士王中林教授。

王中林在埃尼獎頒獎現(xiàn)場

　　埃尼獎是世界能源領(lǐng)域最權(quán)威獎項，與計算機界圖靈獎、數(shù)學界的菲爾茲獎及沃爾夫獎等并稱為自然科學領(lǐng)域性的最高獎項。王中林院士成為獲得埃尼獎的第一位華人科學家，他的一大成就就是發(fā)明了納米發(fā)電機。英國《新科學家》雜志把納米發(fā)電機評為影響未來、10~30年后有可能和手機具有同等重要性的十大重要技術(shù)之一。納米發(fā)電機是如何發(fā)現(xiàn)的?這項成果將如何改變世界?王中林向記者進行了解答。

　　文|廣州日報全媒體記者 肖歡歡

　　圖|中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所

　　王中林院士是國際公認的納米科學與技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)軍型科學家。他首次發(fā)明了納米發(fā)電機和自驅(qū)動納米系統(tǒng)技術(shù)，被譽為“納米發(fā)電機之父”。

　　將來走路心跳脈搏都可以發(fā)電

　　王中林告訴記者，通過比頭發(fā)絲還細的纖維絲長出極微小的納米線，只要受到拉車、摩擦或微風吹拂就可以自行發(fā)電。這意味著，只要人穿上納米材料制作的“發(fā)電衣”，通過運動，就能發(fā)電。根據(jù)模型估算，用這樣的纖維制成的織物，每平方米輸出功率可以達80毫瓦，足以為一塊手機電池充電。“將來，只要我們穿著納米纖維材料的衣服，就不用再為隨身所帶的電子設備沒電而煩惱了，因為我們的衣服本身就可以發(fā)電。”

　　他舉例說，長滿納米線的纖維絲就像女士卷發(fā)用的發(fā)卷，將兩個發(fā)卷平行放置，給其中一個鍍上金屬，從而和氧化鋅形成類似二極管的導電效應。最后在馬達的帶動下，兩個“發(fā)卷”相互錯動摩擦，一拉一松，由于氧化鋅的“壓電效應”，納米線的形變便能產(chǎn)生電能。

　　王中林說，任何一項發(fā)明，如果它的應用成本很高，材料很難獲取，那終究會影響它的推廣價值。這一發(fā)明可以用來收集人體運動、肌肉收縮、血液流動、聲波、超聲波等所產(chǎn)生的能量，將其轉(zhuǎn)化為電能提供給納米器件，讓納米器件實現(xiàn)能量自供。這些昔日白白被浪費掉的能量都會被利用起來。發(fā)電效率達到17%-30%的，為自發(fā)電的納米器件奠定了基礎。

　　其次，材料都是安全的，整過程無排放、無污染，堪稱最具潛力的綠色發(fā)電。納米發(fā)電機的重要性怎么強調(diào)都不為過。以前不論多小、多靈敏的元器件，都要加上一個尺寸較大的傳統(tǒng)電源，就好比螞蟻拉著一頭大象。傳統(tǒng)電源，比如電池，都需要定期更換。在未來的物聯(lián)網(wǎng)時代，如果所有的移動終端，包括很多小器件，有些傳感器比指甲蓋還要小，如果它們都需要依賴電池充電的話，物聯(lián)網(wǎng)就沒法實現(xiàn)。

　　納米發(fā)電機將是電源領(lǐng)域革命性的一步，納米器件的電力供應將從傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米電源。其在生物醫(yī)藥、無線通信和無線傳感等領(lǐng)域?qū)⒂蟹浅V泛的應用前景。它可以整合納米器件，實現(xiàn)真正意義上的納米系統(tǒng)：可以收集機械能、流體能量等轉(zhuǎn)化為電能，提供給納米器件，讓納米器件實現(xiàn)能量自供。這是解決未來能源問題的基石，也為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實現(xiàn)提供了可能性。

　　解決難題：對話,將機械能轉(zhuǎn)化為電能

　　記者：你是如何進入納米研究領(lǐng)域的?

　　王中林：1987年我從亞利桑那州立大學博士畢業(yè)后，在物質(zhì)與電子交互作用這一基礎物理領(lǐng)域工作了很長時間，主要從事彈性和非彈性散射理論研究。我還在高溫超導方面做了很長時間研究。我決定轉(zhuǎn)到納米領(lǐng)域是因為我意識到我所從事的理論的局限性——我的研究可能不會有太大影響。于是我將全部時間投入到納米研究，我在學生時代就從事透射電子顯微鏡研究，觀測原子核極小尺度表面，所以，轉(zhuǎn)向納米研究也是很自然的選擇。我博士論文做的就是納米方面的，當時不叫納米，叫small particle，小顆粒?？梢哉f，我是從1983年開始做納米研究的。

　　記者：你為何在2000年調(diào)轉(zhuǎn)了研究方向?

　　王中林：我在碳納米管方向上工作了三四年后，就開始思索這種納米結(jié)構(gòu)有多大應用前景。納米管是金屬還是半導體取決于其螺旋屬性，由于當時人們很難控制納米管的空間螺旋性，它的導電屬性通常是隨機出現(xiàn)。我當時想，為什么不用氧化物，后來我就開始用氧化鋅了。氧化鋅有很容易控制的結(jié)構(gòu)，它是光學透明的半導體，具有壓電性，即可以將機械信號轉(zhuǎn)化為電信號或?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)化為機械信號，并且具有可控的形貌和結(jié)構(gòu)，它還可以在50-80度的相對低溫下合成，用化學燒杯就可以在任意形狀的襯底上生長。它還具有生物相容性，也就是說對生物體是安全的，是綠色材料。

　　
王中林院士開創(chuàng)的納米發(fā)電機及其自驅(qū)動系統(tǒng)的學科發(fā)展圖

　　氧化鋅是一項極其重要的材料。英國《物理世界》2008年曾刊文說，在物理范疇，氧化鋅納米材料是和暗物質(zhì)、量子計算、半導體薄膜、碳納米管具有同等重要的地位和影響。2008年全世界發(fā)表的有關(guān)氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的文章就超過了600篇，我2001年發(fā)表的氧化納米帶一文正是所有這些文章的開創(chuàng)篇。

　　記者：氧化鋅的研究和納米發(fā)電機之間有何關(guān)聯(lián)?

　　王中林：納米器件具有尺寸小、功率小、反應靈敏等優(yōu)勢。但之前所有研究都是集中在納米器件本身，沒考慮它的電源問題。這些微小器件工作必須要有電源，只有實現(xiàn)了自帶電源的納米器件才能被視為真正的納米系統(tǒng)。這將在生物醫(yī)學、軍事、無線通信、無線傳感等領(lǐng)域都有廣泛應用。

　　生活中機械能無處不在，走路的腳步、心臟的跳動、肌肉的拉伸、空氣的流動、馬路上的噪聲、微風。能把這些能量轉(zhuǎn)化成電能嗎?2005年，我的學生宋金會發(fā)現(xiàn)了解決難題的方法。我們利用豎直結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米線的獨特性，在原子力顯微鏡AFM的幫助下，研制出將機械能轉(zhuǎn)化為電能的世界上最小的發(fā)電裝置——納米發(fā)電機。

　　納米發(fā)電機是新時代能源的基石

　　記者：納米發(fā)電機被視為劃時代的科學發(fā)明，甚至被評為可以與手機發(fā)明具有同等重要性的技術(shù)。你如何看待它的重要性?

　　王中林：納米發(fā)電機的重要性我覺得怎么描述都不為過。它的發(fā)明不僅為實現(xiàn)能源系統(tǒng)的微型化帶來了可能，更重要的是，對于實現(xiàn)具有完全無線，可生物植入，以及長時期甚至終生無需照管的納米或微電子器件，納米發(fā)電機提供了一種理想的電源系統(tǒng)。

　　要使納米發(fā)電機能廣泛應用到各個方面，最重要的環(huán)節(jié)就是要降低納米發(fā)電機的響應頻率。我們利用溶液化學方法將氧化鋅納米線沿徑向均勻生長在纖維表面，運用兩根纖維模擬了將低頻震動轉(zhuǎn)化為電能的過程。這就為實現(xiàn)柔軟、可折疊的電源系統(tǒng)，比如發(fā)電衣等打下了基礎。

　　我們利用交流納米發(fā)電機的原理，實現(xiàn)了利用生物體活動帶動的發(fā)電機。比如，微小的手指敲動和肢體運動來產(chǎn)生電能。將幾個交流納米發(fā)電機固定在一個彈性馬甲上，穿在倉鼠身上，倉鼠的跑動來帶動馬甲的拉動，馬甲的拉動又會拉升氧化鋅納米線，進而將這種跑動能量轉(zhuǎn)化為電能。實驗結(jié)果表明，在倉鼠跑動下工作的納米發(fā)電機可以產(chǎn)生高達兩百毫伏的電壓。

　　傳統(tǒng)的發(fā)電機要求機械運動的強度必須大到足以帶動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，所以只能用來收集比如人的退步運動等高強度的機械運動，但納米發(fā)電機可以收集從低頻到高頻，從輕微運動到劇烈的機械能，并將其轉(zhuǎn)化為電能。其次，通常我們說的電流是傳導電流，而納米發(fā)電機是通過位移產(chǎn)生電流。比如說，你穿一件這種材料的衣服，你在跑步、走路，你的衣服被微風吹動，你的衣服就能成為一個發(fā)電機，從而將你身體的各個健康指標傳輸出來。將這個做在鞋墊里面，人走路可以驅(qū)動發(fā)電，供給傳感器和GPS，可以用于人體康復和定位。我們還可以將其集成進生物系統(tǒng)，用肌肉運動發(fā)電，用血液流動發(fā)電，還可以用聲波、噪聲、微風等發(fā)電。過去心臟起搏器需要定期更換電池，如今我們已經(jīng)利用小白鼠的呼吸來驅(qū)動心臟起搏器，如果用到人體，僅通過呼吸就能夠驅(qū)動心臟起搏器。某種程度上，你可以說，納米發(fā)電機為解決新時代的能源問題提供了一種出路，它是新時代能源的基石。

　　10月22日，意大利總統(tǒng)馬塔雷拉為王中林(左一)頒發(fā)埃尼獎獎章

　　記者：摩擦納米發(fā)電機的發(fā)明是不是也具有偶然性?

　　王中林：2011年，我讓學生去做電紡絲仿壓電材料發(fā)電，學生去做測時發(fā)現(xiàn)，以前輸出電壓本應該是1伏，但最近幾次實驗，輸出電壓竟然達到5伏以上。后來調(diào)查原因時發(fā)現(xiàn)，是學生在做納米發(fā)電機的時候沒有封裝好所致。后來我對學生的實驗進行了改進，發(fā)現(xiàn)，兩種高分子材料相接觸的過程中可以產(chǎn)生電，就發(fā)明了摩擦納米發(fā)電機。摩擦發(fā)電裝置簡單、輕巧，在未來可以被應用于可穿戴設備、便攜設備的充電等，還可以用作給做終端傳感設備供電，在航天、通信領(lǐng)域都有很廣泛的應用。

　　記者：納米發(fā)電機要轉(zhuǎn)為應用，還需要做哪些工作?

　　王中林：前幾年我們一直在做的是提高納米發(fā)電機的發(fā)電電壓。如果我們可以達到零點幾伏電壓，比如0.5伏，它就會非常有用，就可以將其用于生物探測器，比如癌癥探測器、血糖探測器等生物探測器。納米新能源的產(chǎn)業(yè)化，正是我未來5年的工作方向，我預計，5年內(nèi)納米能源的利用會達到高峰。

　　記者：你能取得這么大的成就，秘訣在哪里?

　　王中林：一是不吃老本，時刻保持對新知識的饑餓感;二是堅持不懈，鍥而不舍。做科研要把眼光放在未來的工作上。搞科研就像爬坡，直上直下有時很困難，盤旋著螺旋上升，繞一下反而會容易很多，換個思路講短期的結(jié)果應用于其他領(lǐng)域，有時會產(chǎn)生“柳暗花明又一村”的驚喜。

　　本文摘自：《廣州日報》