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美国华人科学家研制出可发电纳米纤维

2008-02-23 12:39 葛秋芳 新华社 阅读 0
核心摘要: 本文回顾了2008年美国华人科学家王中林团队研制出可发电纳米纤维的里程碑成果。该纤维利用氧化锌的压电效应,将人体运动等机械能转化为电能,当时已显示出在可穿戴电子和植入式医疗设备中的应用前景。结合最新研究进展,文章补充了压电纳米发电机向摩擦纳米发电机演化的关键历程,并指出该领域在柔性电子、物联网等方向的持续突破,体现了基础研究向技术转化的重要价值。

据2008年2月14日出版的英国《自然》杂志报道,美国华人科学家王中林领导的科研小组成功研制出一种能产生电能的新型纳米纤维。该纤维可织成布料,用于制造利用人体运动发电的衣服、鞋以及生物植入物(如心脏起搏器)等。尽管距今已十余年,这一成果奠定了纳米发电机领域的重要基础,后续研究在此之上不断突破。

王中林是美国佐治亚理工学院教授、著名材料学家。其研究小组给名为凯夫拉(KEVLAR)的合成纤维涂上四乙氧基硅烷,再涂覆一层氧化锌,氧化锌向外生长形成许多凸起的晶体棒,类似卷式发梳的梳齿。当纤维受到弯曲、挤压、拉伸等机械应力时,这些氧化锌晶体“发梳”会产生电压,原理基于压电效应——某些非对称晶体在形变时释放少量电流。氧化锌正是具备此类特性的材料。

科学家进一步设计了两种涂有氧化锌的纤维:一种表面覆盖薄金作为电极,另一种保持原状。当两者相互摩擦时,较硬的涂金“发梳”使未涂金梳齿弯曲,压电效应使氧化锌晶体上出现电荷,纤维末端的电线即可将电流输送至照明装置,实现机械能到电能的转换。当时这种双纤维纳米发电机输出功率较小,主要受限于纤维内阻和接触面积,但王中林团队持续优化,为后续摩擦纳米发电机(TENG)的诞生奠定了理论和实验基础

王中林认为,该成果为纳米发电机在生物技术、纳米器件、个人便携电子设备及国防技术等领域开辟了广阔空间。此后,他带领团队不断发展:2012年发明摩擦纳米发电机,利用接触起电与静电感应耦合原理,显著提高能量收集效率;2019年提出“第三代半导体摩擦纳米发电机”概念,结合压电与摩擦效应,实现微瓦至毫瓦级功率输出。如今,基于纳米纤维的发电织物已能驱动小型传感器、LED灯甚至蓝牙设备,在可穿戴电子、医疗监护、物联网等领域展现出巨大潜力。

王中林院士还曾担任中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长,长期致力于纳米能源与自驱动系统研究。该领域不仅延续了2008年的压电纤维思路,更衍生出多种材料与结构设计,例如利用同轴静电纺丝、银纳米线复合、MXene涂层等提升输出性能。未来,随着柔性电子和微能量收集技术的融合,人体运动发电的衣物有望实现商业化。

相关扩展阅读:王中林团队近年发表于《自然·通讯》《先进材料》等期刊的综述,系统总结了纳米发电机从压电到摩擦阶段的发展。

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