摩擦起電這一現(xiàn)象，想必很多人都聽說過，初中物理電學(xué)部分的第一課學(xué)習(xí)的就是摩擦起電，在干燥環(huán)境下由于摩擦而造成的靜電也常常讓人頭疼不已。既然生活中摩擦無處不在，那么如何讓這個(gè)令人厭煩的情況變成人見人愛的“正能量”？就成為了科研人員研究和探索的方向。?

　　其中，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林把摩擦起電和納米能源相結(jié)合，進(jìn)而研發(fā)出來的摩擦納米發(fā)電機(jī)，在當(dāng)時(shí)引起了人們的廣泛關(guān)注。?

　　在我們大家的印象中，發(fā)電機(jī)一般是汽輪機(jī)、水輪機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)這樣的大型機(jī)器，它們大部分是電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)，原理也很簡單，在中學(xué)物理課本上，就學(xué)習(xí)過磁鐵穿過線圈可以產(chǎn)生電流。這一知識(shí)的發(fā)現(xiàn)還要追溯到1831年，英國科學(xué)家法拉第首先提出了電磁感應(yīng)原理，并便利用這一原理發(fā)明出了電磁發(fā)電機(jī)，利用動(dòng)力發(fā)電。可以說，這是把水力、風(fēng)力、火力、核能變成電能最根本的技術(shù)。?

　　聽過傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的電磁感應(yīng)原理之后，我們想要把發(fā)電機(jī)和納米這兩個(gè)概念聯(lián)系在一起，就更加困難了。但在科研人員眼中，只要注意細(xì)節(jié)，認(rèn)真研究，就會(huì)有不一樣的發(fā)現(xiàn)，其中發(fā)現(xiàn)摩擦納米發(fā)電技術(shù)就有這樣一個(gè)故事。?

　　2006年，王中林開始微納能源技術(shù)研究，當(dāng)時(shí)他曾經(jīng)想把心跳、身體的動(dòng)作等都轉(zhuǎn)化成電能，并且想要通過壓電效應(yīng)來達(dá)到這個(gè)目的。?

　　壓電效應(yīng)，指的是某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到了外力的作用，形狀發(fā)生變化時(shí)，它的內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上會(huì)出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)這個(gè)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)；反之，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上增加一個(gè)電場(chǎng)，那么這些電介質(zhì)就會(huì)在電場(chǎng)的作用下，形狀發(fā)生改變。當(dāng)電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形也會(huì)隨之消失，這種現(xiàn)象被稱為逆壓電效應(yīng)。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為壓電傳感器，像我們生活中常見的一次性塑料打火機(jī)，就有相當(dāng)一部分是根據(jù)壓電效應(yīng)制作的壓電陶瓷器件來進(jìn)行打火的。?

　　在提出壓電效應(yīng)這個(gè)想法后，王中林科研團(tuán)隊(duì)立刻投身其中，進(jìn)行鉆研，結(jié)果在2008年做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，偶然得到了比想象中高得多的電能輸出，當(dāng)時(shí)有人猜測(cè)可能是人為因素或者是實(shí)驗(yàn)差錯(cuò)，也就沒有太注意。直到2011年，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中再次發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象，不禁引發(fā)了科研團(tuán)隊(duì)的好奇心，他們好奇的是為什么這些樣品偶爾輸出的電壓會(huì)是平時(shí)做實(shí)驗(yàn)的3到5倍？對(duì)于科研人員來說，既然碰見了這樣的特殊效應(yīng)，那么就要把事情研究清楚。于是他們便開始進(jìn)行仔細(xì)研究、分析這些樣品，經(jīng)過幾個(gè)月的分析發(fā)現(xiàn)，這些電能竟然是由常見的摩擦效應(yīng)產(chǎn)生的。?

　　更令人沒有想到的是，這個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象非常地重要，引發(fā)了全世界研究的浪潮。也就是從那時(shí)起，他們就一直進(jìn)行著摩擦納米發(fā)電技術(shù)的研究，并只用了一年半左右的時(shí)間，就使實(shí)驗(yàn)樣品的輸出功率提高了五個(gè)數(shù)量級(jí)，而且使用的材料是完全透明的。?

　　不過，科研團(tuán)隊(duì)完成到這一步，只是證明了這個(gè)理念是可行的。接下來他們還需要計(jì)算輸出電能的效率，簡單來說，就是計(jì)算有多少摩擦能量可以轉(zhuǎn)化為電能。最終，通過實(shí)驗(yàn)他們發(fā)現(xiàn)獲得的機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率是55%，總轉(zhuǎn)化功率更是達(dá)到了85%，這可以說是非常驚人的。?

　　其實(shí)，摩擦發(fā)電機(jī)主要利用了摩擦起電和靜電感應(yīng)這兩個(gè)原理。?

　　摩擦起電的實(shí)質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，任何兩個(gè)物體摩擦?xí)r,電子由一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體,得到電子的物體帶負(fù)電，失去電子的物體帶正電；而靜電感應(yīng)則是在外電場(chǎng)作用下，使導(dǎo)體中的電荷重新分布的現(xiàn)象。簡單來說，就是帶電物體與不帶電導(dǎo)體相互靠近時(shí)，由于電荷間的相互作用，會(huì)使導(dǎo)體內(nèi)部的電荷重新分布，異種電荷被吸引到帶電體附近，而同種電荷被排斥到遠(yuǎn)離帶電體的導(dǎo)體另一端。?

　　由于摩擦起電的電壓高，電流小，而功率的計(jì)算公式是用電壓乘以電流，所以如果有電壓、沒電流的話，就不會(huì)有功率出現(xiàn)，也就是說，不管哪一個(gè)為零，結(jié)果都是零。所以摩擦發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵就在于，想要提高功率，就要提高電流輸出。?

　　對(duì)于這一情況，他們首先做出了接觸分離式的摩擦納米發(fā)電機(jī)。這個(gè)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)理念并不是很復(fù)雜，只需要給兩種材料接上外電路，再拉開、合上這兩種材料就行了。當(dāng)兩種材料相互接觸時(shí)，電子就會(huì)轉(zhuǎn)移，這是摩擦起電；如果把兩種材料拉開一個(gè)小距離，材料兩端的電極層就會(huì)產(chǎn)生電位差，這是靜電感應(yīng)，為了屏蔽這個(gè)電位差，電子需要從外電路流動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電流。因此，通過兩種材料不斷地拉開再合上，合上再拉開，就可以產(chǎn)生交變電流信號(hào)了。?

　　根據(jù)這一原理，王中林研究團(tuán)隊(duì)做出了四種模式的摩擦發(fā)電機(jī)，它們分別是接觸分離式、滑動(dòng)式、單電極式、自由浮動(dòng)式，可以用于收集拍擊、震動(dòng)、滑動(dòng)、浮動(dòng)等各種形式的微小機(jī)械能。摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)的相互結(jié)合，讓摩擦發(fā)電機(jī)成為了可能，而納米技術(shù)的加入，更像是畫龍點(diǎn)睛一樣，讓電流真正實(shí)現(xiàn)了有效輸出。?

　　自從摩擦納米發(fā)電機(jī)出現(xiàn)以來，全世界的學(xué)者從各個(gè)方面對(duì)它進(jìn)行了廣泛的研究。通常情況下，摩擦納米發(fā)電機(jī)工作在大氣壓環(huán)境下，因此這里大部分電荷密度通過空氣擊穿釋放掉了，但如果將這部分空氣擊穿的能量收集起來，不僅可以提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能，而且也是對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)的重新認(rèn)識(shí)，對(duì)于更好地理解和利用摩擦納米發(fā)電技術(shù)具有重要意義。?

　　在2019年4月5號(hào)，王中林等人在《科學(xué)進(jìn)展》發(fā)表了一篇論文，報(bào)道了一種以摩擦起電和介質(zhì)擊穿為基礎(chǔ)而研制出的新一代摩擦納米發(fā)電機(jī)，首次實(shí)現(xiàn)了恒流電輸出的目標(biāo)。同時(shí)，這一新穎的直流摩擦納米發(fā)電機(jī)已經(jīng)被證實(shí)可以直接驅(qū)動(dòng)電子器件不需要外接整流橋或能量存儲(chǔ)單元。研究結(jié)果不僅有利于推動(dòng)用于可穿戴電子和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)小型化，而且為高效收集機(jī)械能提供了新的范例。?

　　值得一提的是，摩擦納米發(fā)電機(jī)在剛研發(fā)成功之后，就有人提出，如果把摩擦納米發(fā)電機(jī)放到海洋中，是不是可以收集更多的能量呢？?

　　要知道，海洋中的潮汐能是一種潛力巨大的新能源。海洋面積占全球總面積的71%，海浪的運(yùn)動(dòng)模式又非常多樣，像海水流動(dòng)、海波起伏、海浪拍打、海浪漲落等等都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦。如果采用傳統(tǒng)發(fā)電方式的電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)，會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝置沉重等因素，導(dǎo)致只有海流可以帶動(dòng)轉(zhuǎn)子發(fā)電，也就是說只能收集海流的能量，其他海浪的運(yùn)動(dòng)能量就都浪費(fèi)了。?

　　但是，如果使用結(jié)構(gòu)簡單輕巧的摩擦納米發(fā)電機(jī)，就可以把發(fā)電單元做成乒乓球大小并漂浮在水中，這樣一來，海浪運(yùn)動(dòng)的能量基本上可以全部收集起來。甚至有專家估測(cè)，把這些發(fā)電單元結(jié)成網(wǎng)放到5米深的海水里，表面1平方公里的海面就能產(chǎn)生兆瓦級(jí)的電能，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的能源供給。?

　　像這樣的例子還有很多，生活中同樣少不了摩擦和震動(dòng)，從心臟起搏到擊打鍵盤，從海浪起伏到交通運(yùn)輸，都是摩擦納米發(fā)電機(jī)的適用范圍。過去，這些能量全部浪費(fèi)了。未來，摩擦納米發(fā)電機(jī)可以替我們把它們收集起來，讓我們擁有無處不在的微能源。?

　　團(tuán)結(jié)就是力量，當(dāng)這些微小能源被集中起來時(shí)，摩擦發(fā)電就有望從微小能源領(lǐng)域躋身到大規(guī)模應(yīng)用的綠色新能源之列。?



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