从纳米称到纳米储能发动机——王中林的成果速览

今年的诺贝尔奖在各大网络平台热度空前，获得化学奖的锂电池领域重新以高调的姿态进入了大众的视野。其实在储能领域，还有一位大牛研究者做出的贡献在国内外学术界都有着举足轻重的地位，这位大牛就是华人科学家王中林。这篇文章将王中林院士这些年来的研究成果做了简单的汇总，以便读者参考。

1. 纳米称称量病毒——崭露头角

Science: 碳纳米管的静电挠度和机电共振。¹

透射电子显微镜能够检测多壁碳纳米管中电感应静态和动态机械变形。从碳纳米管弯曲的轮廓可以看出，它们能够在基本频率和较高的谐振波下被共振激发。随着直径的增加（8nm-40nm），弹性弯曲模量随直径的变化而急剧减小（从约1到0.1Mpa），这表明纳米管从均匀的弹性模式过度到波浪形变形的弹性模式。利用这一原理可制备出用来做纳米粒子的纳米管天平以及基于纳米管的开尔文探针。这种纳米平衡方法可以衍生应用于称量其他尺寸相似的颗粒，例如病毒的重量。

2. 纳米带、纳米环、纳米螺旋结构——向压电效应进军

Science: 碳纳米管量子电阻器。²

王中林院士在进一步的研究中量化了多壁碳纳米管（MWNT）的电导。通过用纳米管纤维代替扫描探针显微镜的尖端来测量纳米管的电导率，纳米管可以与液态金属接触并且建立平缓的电接触。多壁碳纳米管电弧产生的电导是一个单位的电导量G₀ =2e²/h （12.9kilohms）^-1。而且纳米管传导电流不会散发热量。通常为15纳米宽4微米长的纳米管，其尺寸和稳定性使其电导率比其他典型的室温量子导体大几个数量级，稳定电流密度能达到J>10⁷cm/A。

Science: 极性纳米带的外延自卷曲形成的单晶纳米环。³

在极性纳米带的生长过程中，通过自发的自卷曲过程形成了独立的氧化锌单晶完整纳米环。纳米环是由长距离静电相互作用引起的纳米带的圆形折叠引发的。环之间的短程化学键形成单晶结构。通过最小化极性电荷，表面积和弹性变形贡献的能量来驱动自动卷曲。通过纳米带自动卷曲形成的氧化锌纳米环可用于研究极性表面诱导的生长过程，基本的物理现象和纳米级器件。

Science: 氧化锌纳米带转变纳米螺旋超晶格结构的方法。⁴

在这篇文章中王中林院士首次制备出了具有刚性螺旋结构氧化锌超晶格结构的纳米带是，这一结构是通过气固生长过程中自发形成的。利用具有极性表面的单晶刚性纳米带能够在生长过程中产生刚性晶格旋转和扭曲，使结构转变为均匀螺旋状超晶格结构的纳米带。通过改变生长条件能够纳米螺旋的悬向和直径等性质，并测量其弹性性能，因此这种超晶格结构在机电耦合传感器，换能器和谐振器中有很高的应用潜力。

3. 纳米发电机——让走路和海浪都能发电

Science: 基于氧化锌纳米线阵列的压电纳米发电机。⁵

在掌握精确控制纳米结构以及压电效应原理后，王中林院士通过压电氧化锌纳米线（NW）阵列将纳米级机械能转换为电能。对准的NW用导电原子力显微镜尖端以接触模式偏转。氧化锌中压电和半导体特性的耦合会由于其弯曲而在整个NW处产生应变场和电荷分离。在金属尖端和NW之间形成的肖特基势垒的整流特性能够产生电流。基于NW的压电发电机的效率估计为17％至30％。这种方法具有将机械能、振动能和液压能转换成电能为纳米器件供电的潜力。

Science: 超声波驱动的直流纳米发电机。⁶

在进一步的研究中王中林课题组开发了一种纳米线纳米发电机，该发电机由超声波驱动以产生连续的直流输出。用垂直排列的氧化锌纳米线阵列制造纳米发生器，该阵列放置在锯齿形金属电极下方，间隙很小，上下驱动电极以弯曲和/或振动纳米线。压电半导体耦合过程将机械能转化为电能。之字形电极充当平行集成金属尖端的阵列，这些尖端同时并连续地从所有纳米线产生，收集和输出电流。该方法提供了一种适应性强，移动性强且具有成本效益的技术，可以从环境中收集能量，并且为纳米设备和纳米系统提供动力提供了潜在的解决方案。

Energy Environ. Sci.: 多种能量清除剂进行自然耦合压电和光伏特性控制。⁷

在本文中，王中林课题组提出了一种简单，低成本，灵活的混合电池，该电池可以结合使用压电太阳能氧化锌（ZnO）和有机太阳能电池设计将低频机械能和光子能单独或同时转换为电能。由于混合电池是通过ZnO的压电和光电导性能耦合来设计的，因此这是一种自然的混合架构，没有串扰，并且无需额外的组装过程即可创建多种类型的能量清除剂，因此不同于两个不同能量发生器的简单集成。通过调整在黑暗和光照下的机械应变过程，可以将压电输出的行为从交流（AC）型控制为直流（DC）型。实验表明混合方法在任何时候，任何地方都有可清除多种类型能量的潜力。此外，这项工作建立了收集太阳能和低频机械能（例如人体运动）的方法，从而可生产一种可嵌入到灵活的体系结构的多功能发电机。

Adv.Mater.: 通过生物力学能量驱动的摩擦电纳米发电机自供电的细胞内药物传递。⁸

用于无损伤，高效和按需细胞内药物/生物大分子治疗药物传递仍然是巨大的挑战。在本文中，王中林课题组开发了一种由生物力学能量驱动的摩擦电纳米发生器（TENG）驱动的电穿孔系统，用于高效地进行细胞内药物传递，并在体外和体内将细胞损伤降至最低。硅纳米针阵列电极通过增强局部定位使电穿孔过程中的细胞损伤最小化纳米针-细胞界面处的电场，也降低了质膜的流动性，从而增强了分子流入的效率。该集成系统实现了将外源物质（小分子，大分子和siRNA）高效递送到不同类型的细胞（包括难以转染的原代细胞）中，递送效率高达90％，细胞活力超过94％。穿戴式TENG能够通过简单的手指摩擦或的拍手，实现细胞内生物分子的传递。这种用于主动电穿孔药物输送的集成式自供电系统显示了自调整和可穿戴药物传递的巨大前景。

Adv. Energy Mater.: 扁球形球状摩擦纳米发电机，用于全天候蓝色能量收集。⁹

摩擦电纳米发电机（TENGs）是大规模蓝色能量收集提供了最有潜力的技术之一。但是，缺乏合理的设计在很大程度上阻碍了TENG从波涛汹涌的大海中获取能量。在本文中，王中林课题组针对两种情况精心设计了由两个新颖的TENG零件组装而成的扁球面TENG。上部的TENG以弹簧钢板为基底，可以在波浪较大海面上输出可观的功率且占用空间较小。下部的TENG由两个覆盖铜的聚合物薄膜和一个滚球组成，可以捕获平静海域的小波能。一个上部可以实现281 V的最大开路电压和76μA的短路电流，足以应用于各类充电装置。更重要的是TENG具有独特的自稳定性和低消耗，从而使其具有针对全天候蓝色能源的新型结构设计的下一代TENG。

，王中林课题组提出了一种简单，低成本，灵活的混合电池，该电池可以结合使用压电太阳能氧化锌（ZnO）和有机太阳能电池设计将低频机械能和光子能单独或同时转换为电能。由于混合电池是通过ZnO的压电和光电导性能耦合来设计的，因此这是一种自然的混合架构，没有串扰，并且无需额外的组装过程即可创建多种类型的能量清除剂，因此不同于两个不同能量发生器的简单集成。通过调整在黑暗和光照下的机械应变过程，可以将压电输出的行为从交流（AC）型控制为直流（DC）型。实验表明混合方法在任何时候，任何地方都有可清除多种类型能量的潜力。此外，这项工作建立了收集太阳能和低频机械能（例如人体运动）的方法，从而可生产一种可嵌入到灵活的体系结构的多功能发电机。

4. 自感知机器人和人造皮肤——纳米结构在压力传感领域大显身手

Adv.Mater.: 一种可拉伸的纱线嵌入式摩擦纳米发电机，作为生物力学能量收集和多功能压力传感的电子皮肤。¹⁰

能够进行能量收集和自供电感应的柔性可伸缩物理传感器对于可穿戴电子设备的快速发展至关重要。即便如此，很少有研究可以将能量收集和自供电感应集成到单个电子皮肤中。王中林课题组开发了一种可拉伸和可清洗的皮肤摩擦电纳米发生器（SI-TENG），用于生物力学能量收集和多功能压力传感。所制备的SI-TENG的最大平均功率密度为230 mW m^-2，能够点亮170个发光二极管，能够为各种电容器充电并驱动微型电子产品。作为一种自供电的多功能传感器，SI-TENG被用于监视人体生理信号，例如动脉搏动和声音振动。文章还制备了智能假肢，自供电的计步器/速度计，柔性数字键盘和具有8×8感测像素的概念验证压力传感器阵列，以进一步确认其多功能的应用前景。基于这些优点，已开发的SI-TENG在可穿戴电源技术，生理监测，智能假体和人机界面中具有广阔的应用前景。

ACS Nano: 丝网印刷可水洗电子纺织品作为自供电触摸/手势摩擦传感器，用于智能人机交互。¹¹

具有嵌入式电路的多功能电子纺织品（E-Textile）在未来可穿戴电子产品方面具有广阔的应用前景。然而，大多数电子纺织品仍面临关键技术问题，包括透气性，耐洗性和大规模生产问题。在这项工作中，王中林课题组制造了一种可水洗的电子织物，该方案能够解决目前存在的大部分问题，并且能应用于智能人机界面的自供电摩擦纺织品。利用导电碳纳米管（CNTs）和丝网印刷技术，这种电子纺织材料具有高导电性（0.2kΩ/ sq），高透气性（88.2 mm / s），可以在普通织物上大规模生产。利用碳纳米管和织物之间的相互作用，即使在清洗后，电极在苛刻的机械变形下也表现出出色的稳定性。此外，基于单电极模式摩擦电纳米发生器和电极图案设计，电子纺织物具有高灵敏度的触摸/手势感应性能，在人机交互界面具有潜在的应用。

王中林院士十年来持之以恒地进行氧化锌纳米结构的研究，使得氧化锌成为除碳纳米管和硅纳米线外纳米技术中一大材料体系。并且将纳米发电机应用于蓝色能源和健康领域，为人类迫在眉睫的能源问题和健康问题的解决做出了很大的贡献。

参考文献

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11. C. Zhang, C. J. Lia, Z. L. Wang. Screen-Printed Washable Electronic Textiles as Self-Powered Touch/Gesture Tribo-Sensor for Intelligent Human-Machine Interaction. ACS Nano. 2018, 126, 5190-5196.

本文由怪ayi供稿。

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