導(dǎo)讀

近日，美國(guó)克萊姆森大學(xué)的科研人員開發(fā)出摩擦電納米發(fā)電機(jī)的無線版本，也稱為“W-TENG”，離利用摩擦電這一綠色能源進(jìn)行無線供電的目標(biāo)又更近了一步。

背景

摩擦起電是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到的一種物理現(xiàn)象，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車時(shí)都時(shí)常會(huì)遇到。但是，摩擦電很難被收集和利用，因此它的價(jià)值往往被人們所忽視。

不過，去年筆者曾介紹過中國(guó)科學(xué)院、重慶大學(xué)、美國(guó)佐治亞理工學(xué)院、臺(tái)灣科技大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)的科研人員組成的團(tuán)隊(duì)，在中華民族傳統(tǒng)的剪紙藝術(shù)啟發(fā)下，利用了摩擦電，開發(fā)出一種輕量的、剪紙式樣裝置，采集來自人體運(yùn)動(dòng)的能量。

（圖片來源：美國(guó)化學(xué)會(huì)）

其中的核心技術(shù)就是：摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）。它能夠采集我們四周的機(jī)械能為電子設(shè)備充電。舉個(gè)例子，未來我們可以在鞋子中安裝摩擦電發(fā)電機(jī)，只要正常走路，就可以為自己隨身攜帶的手機(jī)充電。

接下來，簡(jiǎn)單介紹一下TENG 的發(fā)電原理：在TENG 的內(nèi)部電路中，由于摩擦起電效應(yīng)，兩個(gè)摩擦電極性不同的材料薄層之間會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，從而在二者之間形成電勢(shì)差；在TENG 的外部電路中，電子在電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)下，在分別粘貼在摩擦電材料層背面的兩個(gè)電極之間或者電極與地之間流動(dòng)，從而來平衡這個(gè)電勢(shì)差。

然而，還是有不少人懷疑摩擦電納米發(fā)電機(jī)的可行性和實(shí)用性。之后，筆者在《可穿戴設(shè)備通過人體運(yùn)動(dòng)供電，可行嗎？》文章中，介紹了韓國(guó)三星綜合技術(shù)研究院的一項(xiàng)最研究。該研究證明：摩擦電納米發(fā)電機(jī)能夠滿足小型可穿戴設(shè)備和便攜式電子設(shè)備的能耗需求。

（圖片來源：參考資料【2】）

創(chuàng)新

近日，美國(guó)克萊姆森大學(xué)納米材料研究所（CNI）的研究人員離使用摩擦電（一種綠色能源）為世界無線供電的目標(biāo)又更近了一步。

（圖片來源：Ramakrishna Podila / 克萊姆森大學(xué)納米材料研究所 ）

在2017年3月，CNI 物理學(xué)家小組發(fā)明了超簡(jiǎn)單的摩擦電納米發(fā)電機(jī)，簡(jiǎn)稱“U-TENG”，是一種由塑料和膠帶簡(jiǎn)單制成的小型裝置。它可以通過人體運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)產(chǎn)生電力。當(dāng)這兩種材料結(jié)合到一起時(shí)，你只需拍拍手或者跺跺腳，就可以產(chǎn)生出被接有電線的外部電路檢測(cè)到的電壓。電能通過電路，存儲(chǔ)在電容或者電池中，在需要時(shí)再使用。

9個(gè)月之后，在一篇發(fā)表于《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）的論文中，研究人員展示了一種TENG的無線版本，也稱為“W-TENG”，從而極大地拓展了摩擦電納米發(fā)電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用范圍。

研究團(tuán)隊(duì)再一次由Mallineni 領(lǐng)導(dǎo)，正在通過克萊姆森大學(xué)研究基金會(huì)為W-TENG申請(qǐng)專利。克萊姆森大學(xué)納米材料研究所主任 Apparao Rao 教授，也正在與工業(yè)伙伴洽談，開始將W-TENG 集成到能源應(yīng)用中。

技術(shù)

W-TENG 和 U-TENG 在同樣的前提下設(shè)計(jì)，使用了不親近電子的材料，所以這些材料相互接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓。

在W-TENG 中，塑料與一種由“石墨烯”和生物可降解聚合物“聚乳酸”制成的纖維多部分發(fā)生交換。石墨烯，是一種只有單個(gè)原子層厚度的二維材料，也可以稱為“單原子層石墨”，而石墨正是我們常用的鉛筆芯的主要成分。聚乳酸，就其本身而言，很適合用于分離正電荷和負(fù)電荷，但是不太適合導(dǎo)電，這也就是為什么研究人員要用石墨烯配合它。U-TENG 捕獲電子的材料：Kapton膠帶，被特氟龍（Teflon）取代，這種成分經(jīng)常用于不粘鍋的涂層。

克萊姆森大學(xué)物理學(xué)系助理教授、論文通訊作者 Ramakrishna Podila 表示：“我們使用特氟龍，是因?yàn)樗性S多含氟基團(tuán)，這些含氟基團(tuán)都是高度電負(fù)性的。這是一個(gè)進(jìn)行比鄰放置和創(chuàng)造高電壓的好辦法。”

為了獲取石墨烯，研究人員將它的母體成分：石墨，暴露于高頻聲波中。然后，這種聲波就像一把刀，將石墨一層一層地切成單層石墨烯，如同一幅撲克牌一樣。這種工藝稱為“聲處理”（sonication），CNI 正是采用這種方法擴(kuò)大石墨烯產(chǎn)量，以滿足W-TENG 和其他納米材料的研發(fā)需求。

（圖片來源：克萊姆森大學(xué)）

在將石墨烯-聚乳酸纖維結(jié)合到一起之后，研究人員利用了增材制造，也被稱為“3D打印”，將纖維放進(jìn)3D打印機(jī)，然后生產(chǎn)出W-TENG。

（圖片來源：參考資料【3】）

然而，在工業(yè)生產(chǎn)之前，Podila 表示還需要進(jìn)行更多的研究，用環(huán)境友好的電負(fù)性材料取代特氟龍。對(duì)于重新設(shè)計(jì)來說，有一個(gè)候選材料就是MXene，它是一種二維無機(jī)化合物，具有過渡金屬元素的導(dǎo)電性和酒精的親水特性。

CNI 的另外一位研究生 Yongchang Dong 領(lǐng)導(dǎo)了對(duì)于MXene-TENG 的研究，研究成果于2017年11月發(fā)表于《納米能源》（Nano Energy）雜志。CNI 的Herbert Behlow 和 Sriparna Bhattacharya 也對(duì)這些研究作出了貢獻(xiàn)。

價(jià)值

最終結(jié)果是生成了一種能夠產(chǎn)生高達(dá)3000伏電壓的裝置，這個(gè)電壓足以為25個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電氣插頭供電，或者為超大型智能彩色窗戶或者液晶顯示器供電。因?yàn)殡妷喝绱烁撸訵-TENG 會(huì)在自身周圍產(chǎn)生出一個(gè)電場(chǎng)，它可以被無線感知。它的電能也可以被無線地存儲(chǔ)到電容和電池中。

論文的首作者、物理和天文學(xué)專業(yè)的博士生 Sai Sunil Mallineni 表示：“你不僅能夠從中獲取能量，而且你還可以將電場(chǎng)當(dāng)作一個(gè)遙控器。例如，你可以開發(fā)W-TENG，并使用它的電場(chǎng)作為‘開關(guān)’，打開你的汽車庫(kù)門，或者激活安全系統(tǒng)，這些都無需電池，是無源且無線的。”

W-TENG 的無線應(yīng)用很豐富，可以延伸到資源受限的環(huán)境中，例如外天空、海洋中甚至是戰(zhàn)場(chǎng)。Podila 表示，例如他們團(tuán)隊(duì)的發(fā)明肯定可以應(yīng)用于慈善事業(yè)。

Podila 說：“一些發(fā)展中國(guó)家需要大量的能源，盡管我們?cè)谶@樣的環(huán)境中，無法訪問電池或者電源。在這些區(qū)域中，W-TENG 是一種更加清潔的能源產(chǎn)生方式。”

未來

W-TENG 會(huì)對(duì)可替代、可再生的能源領(lǐng)域產(chǎn)生影響嗎？Rao 表示這將取決于經(jīng)濟(jì)。Rao 表示：“作為科學(xué)家，我們目前只能做這么多，W-TENG 是否成功還要看經(jīng)濟(jì)狀況。”