纳米纤维发电机-王中林

纤维纳米发电机问世记

2008-4-11 《瞭望东方周刊》记者张忠霞 / 华盛顿报道

将来用含有纤维纳米发电机的材料制成的织物，每平方米的输出功率可达80毫瓦，这有可能给一个随身的iPod供电

2008年2月，国家纳米中心海外主任、美国佐治亚理工学院华人科学家王中林的研究小组宣布研制出纤维纳米发电机，这项成果对人生四项基本需求——“衣食住行”中的衣，将产生巨大影响。

纳米研究在21世纪初的物理学界很时髦。在纳米尺度下，世界充满着无数的未知，人们认为是常识的东西可能完全变了模样。科学家相信，纳米科学将带来新时代的“蒸汽机”，并导致新技术革命。

飞机上写出的奠基论文

“压电”概念自提出已有100多年历史，简单来说，“压电”就是一些特殊材料在形变下机械能可以转化为电能。但通常认为，当尺寸达到很小尺度时，具有压电性质的材料可能会丧失压电性质。2005年5月，王中林的脑子里第一次产生了测试纳米尺度下氧化锌是否具有压电性质的想法。

学生在实验室里利用原子力显微镜做出的测试结果显示，压电效应确有其事，不过不明显，与他在理论模型中根据假设条件计算得出的相去甚远。王中林回忆当时的困惑时说：“可能差几十倍甚至100倍。”

模型错了，还是此路不通？王中林大胆把原有模型推翻重设，经过几个月的大量实验，终于得到了令人兴奋的数据，氧化锌纳米线可以发电。“我们接下来需要建立与此相关的发电原理，”王中林说。这个原理对于后来的纳米纤维发电机是奠基性的。

“凭着对纳米尺度、固体物理的了解，我提出了一个模型，当时凭直观感觉这一模型是对的。”王中林说。两天之后，在出差去澳大利亚的飞机上，成竹在胸的王中林利用二十几个小时的飞行时间，头戴耳机，闷头写就了压电发电原理论文的第一稿。一些人认为科学家有些“魔怔”，王中林座位边的一对美国夫妇当时肯定正是这种想法。

很快，细化后的论文就被寄到了美国华盛顿特区《科学》杂志社。不过按照科学研究的规律，只是提出原理还不够，得有直接的证据证明它。经过精心设计，验证原理的方案有了。 几天后，负责做实验的学生打电话告诉他：“王老师，您期待的东西我们看到了！”“你们先不要动，我马上过去看看。”眼见氧化锌纳米线的压电效应，王中林赶紧返回家取摄像机试图记录影像资料，作为原理的重要证据。也许好事多磨，摄像机来了，原子力显微镜的

针尖又断掉了。

“今天就是不睡觉，也得把这个过程真正记录一遍！”王中林决定。当晚十点，终于如愿以偿，第二天，他们就将剪辑好的影像CD补寄给了《科学》杂志。几个月之后，论文顺利发表，“这是在纳米发电研究过程中最令我激动的一次成果。”王中林把它称为“第一步曲”。

第二步好得让人难以置信

论文发表后，有人提出，这只是原理性的，而且单根纳米线实现的电荷释放是瞬间的，并不是很多纳米线的规模效应，不具有实际应用价值。这刺激王中林去产生连续的电流。

他决定作出三项改变：首先，必须要取代原子力显微镜，因为它纯属实验室设备，不适宜实际应用，而且十分昂贵，一台大约需要25万美元。第二，原子力显微镜的针尖是直接带动氧化锌纳米线产生压电效应，要改用超声波，间接带动。第三，要让多根纳米线实现规模型连续发电效应。

用“天时地利人和”来形容王中林的研究小组，十分贴切。经过多年培养，王中林手下恰好有他所需要的“兵”：学化学的，懂得如何生长氧化锌材料；学微加工的，懂得如何制作材料生长基片；学电子的，懂得如何测量电信号。更为关键的是，实验室里有一种良性互动的气氛。

“我有一个想法”，是王中林挂在嘴边的口头禅。

王中林小组在硅材料的基片上生长氧化锌纳米线，用超声波带动纳米线形变产生压电效应，成功地产生了电流。研究小组从2006年3月到11月，就做完了直流发电机的全部实验。第二篇论文寄向《科学》杂志社。

这一次，论文历经两次审稿才最后通过。为什么？原来审稿小组觉得，“超声波一放，电就能出来，这简直好得让人难以置信！”出于对类似突破性成果的谨慎态度，《科学》杂志要求他们对直流纳米发电机进行额外验证。随后进行的电极反转、电流电压等电信号的一系列验证，都证明直流纳米发电机真实可靠。《科学》杂志很快以特别报道刊登了这一轰动纳米、能源领域的重要论文。

从地毯中找到的灵感

怎么让纳米发电机用到实际生活中呢？王中林从地毯中找到灵感，他想到把硬质的、成本高的硅基片改为柔软、便宜的纤维丝，在比头发丝还细的纤维丝上长出像毛毛一样的氧化锌纳米线，就像“女士们卷发用的发卷”。

然而，这种情况下长出的纳米线容易脱落，于是王中林的研究小组又通过改进溶液培养

方法，将它们在根部固定住。

另一个重要改变是把频率高的超声波改成了频率相当于身体摆动的低频马达，来带动布满纳米线的纤维丝，使“发卷”相互之间产生错动。低频对于实际应用来说，是决定性的一个因素。带动频率的降低就意味着，走路、跑步、举手、心跳„„我们最司空见惯的行为，都可以用来把其中的机械能转化为电能——“只要你能动，就能发出电”。可以想见，这样的低频运动可要比超声波容易获取。其实人体运动产生的能量“都是被白白浪费掉的能量，而有了纳米发电机，都可以被利用起来”。

王中林小组成功地造出了数百个纤维纳米发电机，相比之前的直流纳米发电机，“纤维版”纳米发电机的成本大幅下降。“我们的纤维丝就是用的杜邦公司的凯芙拉，几美元就可以买一大捆”。另外，纤维纳米发电机的材料都是生物安全材料，整个过程无排放、无污染，堪称最具潜力的绿色发电。与《科学》杂志齐名的《自然》杂志顺利地刊登了这次的科研论文。杂志的论文审稿人说：“作者的思路是革命性的。”

几乎是立即，大众媒体开始了如潮般的报道：纤维？这不是意味着“发电衣”离我们不远了？王中林肯定了这种想法，因为微风吹动的帐篷也能发电。根据目前的原型估算，将来用含有纤维纳米发电机的材料制成的织物，每平方米的输出功率可达80毫瓦，这有可能给一个随身的iPod供电。

纳米尺度的发电机，其重要性怎么强调都不为过。以前，不论多小、多灵敏的器件，都需要附加一个较大尺度的传统电源，好比“蚂蚁拉个大骆驼”。而且传统电源比如电池，都存在需要定期更换、材料有毒性等种种问题。纤巧的纳米发电机无疑将使电源领域向前迈进革命性的一步。

当本刊记者问王中林将来这有没有可能获诺贝尔奖时，他说：“诺贝尔奖这东西，就不要去想，否则非得得神经病不可。我研究这个，是因为我感兴趣，科学是我的兴趣和追求，我不是为了生计或者其他，才来进行科研。”

BBC，NBC，国家地理、CCTV播放

美国哥伦比亚大学两名华裔科学家最近研究发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。

现代快报8月26日消息 法国皇帝拿破仑曾经说过：“笔比剑更有威力”，然而他绝对不会想到铅笔中竟然包含着地球上强度最高的物质！美国哥伦比亚大学两名华裔科学家最近研究发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”超韧缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门，能让科学家梦寐以求的23000英里长太空电梯在不久的将来成为现实！

铅笔中的石墨是由无数只有碳原子厚度的“石墨烯”薄片压叠形成的，石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。自从 2004年石墨烯被发现以来，有关的科学研究就从未间断过。然而直到最近，美国科学家才首次证实了人们长久以来的怀疑，石墨烯竟是目前世界上已知的强度最高的材料！

这一惊人的科学发现是由美国哥伦比亚大学的两名华裔科学家李成古和魏小丁（音译）一起研究得出的，而研究的主要工具之一竟是普通的透明胶带！李成古说：“为了了解石墨烯的强度，我们首先必须从石墨上剥离出一些石墨烯薄片，于是我们想到了透明胶带。”科学家先将“思高牌”胶带粘在一块石墨上，然后再撕下来，接着科学家又将胶带粘到了一块面积只有1平方英寸的硅片上，然后再将胶带从硅片上撕下来，这时数千小片石墨都粘到了硅片上，而硅片上则有数千个肉眼看不见的小孔。

这时，科学家开始采取高科技手段，将硅片放置在电子显微镜下进行观察，科学家花费数天时间，希望能在硅片小孔上发现合适的单原子厚的石墨烯薄片。一旦科学家发现了一些只有100分之一头发丝宽度的石墨烯薄片后，他们就开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺，从而测试它们的强度。让科学家震惊的是，石墨烯可能比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍！

不过科学家可能仍然需要花费数年甚至几十年时间，才能找到一种将石墨转变成大片高质量石墨烯“薄膜”的方法，从而可以用它们来为人类制造各种有用的物质。