摩擦納米發(fā)電機(jī)

項(xiàng)意恣

在現(xiàn)代科技的推動下，智能產(chǎn)品在我們?nèi)粘Ｉ钪械牡匚辉絹碓礁?。谷歌眼鏡、蘋果手表、智能手環(huán)等一系列可穿戴電子產(chǎn)品給我們的生活帶來了極大的便利，但同時(shí)也帶來了新的煩惱。電子產(chǎn)品的使用離不開充電，即使像智能手環(huán)這類續(xù)航時(shí)間相對較長的產(chǎn)品，在使用一段時(shí)間之后也需要充電，但我們并不是時(shí)時(shí)刻刻都會記得充電，出門在外，電源也不是隨時(shí)隨地都能夠得到。而摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanogenerator， TENG）的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，讓電子產(chǎn)品不充電也能持續(xù)工作。

小身軀大能量的摩擦納米發(fā)電機(jī)

中學(xué)上物理課的時(shí)候大家可能都做過一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，用絲綢摩擦玻璃棒后馬上去觸碰驗(yàn)電器的金屬球，這時(shí)候金屬箔會張開，這是因?yàn)榻z綢和玻璃棒兩種材料束縛電子的能力不同，在摩擦過程中發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移，玻璃棒和絲綢帶上了等量相反的電荷;再用帶電的玻璃棒去靠近原本不帶電的金屬球，由于電荷之間的相互作用，會導(dǎo)致金屬體內(nèi)的電荷重新分布，異種電荷被吸引，同種電荷被排斥，這種現(xiàn)象稱為靜電感應(yīng)。金屬箔因?yàn)閹狭讼嗤碾姾?，所以排斥而張開。基于這兩個(gè)原理，王忠林院士在2012年成功研制出了摩擦納米發(fā)電機(jī)[1]。

摩擦納米發(fā)電機(jī)主要由摩擦發(fā)電層和靜電感應(yīng)層兩部分構(gòu)成[2]。其中，摩擦發(fā)電層由兩層不同的材料構(gòu)成，比如，絲綢和玻璃棒，這兩種材料束縛電子的能力具有差異性;靜電感應(yīng)層是位于摩擦發(fā)電層后的電極，主要用于靜電感應(yīng)。在外力作用下，兩個(gè)相對的摩擦發(fā)電層發(fā)生摩擦，產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，帶上等量異種電荷;當(dāng)兩者發(fā)生分離后，由于靜電感應(yīng)效應(yīng)驅(qū)動外部電路中的電子發(fā)生定向移動，就能產(chǎn)生電流，達(dá)到發(fā)電效果。

能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只能從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，而且能量的形式也可以互相轉(zhuǎn)換，這被稱為能量守恒定律。在摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電過程中，也存在著能量守恒，即外力作用導(dǎo)致兩個(gè)摩擦發(fā)電層發(fā)生相對運(yùn)動，從而導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移，再在靜電感應(yīng)作用下產(chǎn)生電流，這是一個(gè)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程。而在自然界中，機(jī)械能廣泛存在，若利用摩擦納米發(fā)電機(jī)將其加以轉(zhuǎn)換為電能，其收益將會不可估量。

神奇的人體運(yùn)動能量轉(zhuǎn)換

摩擦納米發(fā)電機(jī)能夠收集的機(jī)械能有人體運(yùn)動能、風(fēng)能、聲波能、海洋能等。在這些外力作用下，通過摩擦將其轉(zhuǎn)化為電能。與大多數(shù)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的動力來源于不可再生能源相比，摩擦納米發(fā)電機(jī)利用機(jī)械能發(fā)電具有經(jīng)濟(jì)性好、適用性強(qiáng)、清潔環(huán)保等優(yōu)勢。其中，人體運(yùn)動能持續(xù)性強(qiáng)，可利用范圍廣，包括行走、跑步、打字、觸摸手機(jī)屏幕，甚至眨眼、呼吸以及心臟跳動等。比如，一個(gè)正常身材男子跑步1分鐘可以產(chǎn)生300～510 J能量，而智能手機(jī)一天消耗的電能約為60 J能量，所以采集人體日常運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械能就可以滿足絕大部分智能電子設(shè)備的能源供給[3]。

自2012年納米摩擦發(fā)電機(jī)被發(fā)明以來，科學(xué)家不斷探索，希望能利用摩擦納米發(fā)電機(jī)將人體運(yùn)動能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)對日常使用的電子產(chǎn)品的能源供給。比如，收集心臟跳動、呼吸肌運(yùn)動等生物機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)化為電能的植入式摩擦納米發(fā)電機(jī)。這種植入式摩擦納米發(fā)電機(jī)對有源植入式醫(yī)療器件的發(fā)展將會是巨大的推動力，包括心臟起搏器、腦起搏器、神經(jīng)刺激器、人工耳蝸等。

以心臟起搏器為例，裝有心臟起搏器的患者平均佩戴時(shí)間大約為20年，由于心臟起搏器的電池容量有限，因此，在這20年間，為了保證起搏器的正常工作，患者需要更換電池三次左右，而每次更換，患者需要承擔(dān)昂貴的手術(shù)費(fèi)以及一定的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。若把摩擦納米發(fā)電機(jī)植入人體內(nèi)，將心臟跳動或者呼吸肌運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為起搏器的工作提供動力，更換電池的難題也就迎刃而解[4]。令人振奮的是，目前已有實(shí)驗(yàn)將摩擦納米發(fā)電機(jī)成功植入到老鼠和小型豬的體內(nèi)，將收集小鼠呼吸肌運(yùn)動的機(jī)械能和豬心跳動的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，成功給心臟起搏器供能。

“變廢為寶”，魚鱗助力制作摩擦納米發(fā)電機(jī)

摩擦納米發(fā)電機(jī)具有極大的應(yīng)用潛力，但摩擦發(fā)電層所用材料多為昂貴的金屬或不可降解的聚合物，為了進(jìn)一步擴(kuò)展摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用前景，尋找經(jīng)濟(jì)環(huán)保性能高的材料來替代舊材料，成為了科學(xué)家致力的目標(biāo)。近年來的研究表明，我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常丟棄的魚鱗，其中所含的魚明膠可以作為摩擦發(fā)電層的材料，為尋找新的替代材料帶來了曙光。

明膠是一種常見的生物高聚物，由動物的皮、骨、鱗等含膠原蛋白豐富的組織經(jīng)過預(yù)處理轉(zhuǎn)化后，在適當(dāng)溫度下提取加工而成。從魚類組織中提取的明膠稱為魚明膠。魚明膠因?yàn)榫哂腥榛?、起泡性、成膜性等?dú)特的功能特性，可以作為膠凝劑、穩(wěn)定劑、乳化劑、增稠劑、發(fā)泡劑等試劑，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、照相、電子以及化妝品行業(yè)[5]。

中國科學(xué)院院士黃維和西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院于海東教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)魚明膠制成的魚明膠薄膜具有很強(qiáng)的給電子能力，作為發(fā)電機(jī)的摩擦生電層，在發(fā)生相對運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的電勢強(qiáng)而穩(wěn)定，明顯高于用鋁箔、聚對苯二甲酸乙二醇酯以及薄紙等常用正極摩擦材料。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，用手指對用魚明膠制成的發(fā)電機(jī)進(jìn)行周期性按壓，可以直接點(diǎn)亮50盞串聯(lián)的LED燈。并且魚明膠薄膜對外力的作用尤為敏感，特別適用于感知一些輕微的運(yùn)動，比如關(guān)節(jié)活動、呼吸情況等生理活動，在下一代可穿戴電子設(shè)備以及檢測人體生理信號方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值[6]。

除了魚明膠薄膜，相信在不久的將來會有越來越多新型經(jīng)濟(jì)環(huán)保的材料被研發(fā)出來，摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用也會越來越廣。

參考文獻(xiàn)

[1] FAN F R， TIAN Z Q， ZHONG L W. Flexible triboelectric generator[J]. Nano Energy， 2012，1（2）：328-334.

[2] 畢晨，安一博，苑華翯，紀(jì)曉婧，許國賀，馬晶軍. 摩擦納米發(fā)電機(jī)及其應(yīng)用[J]. 微納電子技術(shù)， 2020，57（3）：169-182+222.

[3] BYUN K E， LEE M H， CHO Y， NAM S G， SHIN H J， PARK S. Potential role of motion for enhancing maximum output energy of triboelectric nanogenerator[J]. Apl Materials， 2017，5（7）：074107.

[4] 劉卓， 王玲， 李虎， 鄒洋， 石波璟， 歐陽涵， et al. 生命不止，能量不息： 植入式摩擦納米發(fā)電機(jī)的研究與應(yīng)用[J]. 科技導(dǎo)報(bào)， 2017，35（2）：65-71.

[5] 王書展， 陳復(fù)生， 楊宏順， 賴少娟. 魚明膠的功能特性與應(yīng)用[J]. 明膠科學(xué)與技術(shù)，2013，33（3）：109-114.

[6] HAN Y J， HAN Y F， ZHANG X， LI L， HUANG W. Fish gelatin-based triboelectric nanogenerator for harvesting of biomechanical energy and self-powered sensing of human physiological signals[J]. ACS Applied Materials & Interfaces， 2020.