摩擦纳米发电机及其四种基本工作模式【荐书】

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摩擦纳米发电机是一项颠覆性技术并具有史无前例的输出性能和优点。与经典电磁发电机相比，摩擦纳米发电机在低频下的高效能是同类技术无法比拟的。同时它也可以作为自驱动的传感器来感知由机械触发所产生的静态和动态过程的信息。

纳米发电机将是麦克斯韦位移电流继电磁波理论和技术后在能源与传感方面的另一重大应用，有可能引领技术革新并深刻改变人类社会。

人们的生活环境和工业生产中存在大量可以利用的机械能，自1831年迈克尔·法拉第发现电磁感应现象后，电磁感应发电机成为了最重要、最广泛的发电方式，至今还没有其他发电方式可与之比肩。

随着可移动电子设备的数量激增，关于能源存储的研发显得更加重要，而目前的技术大多由电池实现。世界上有超过30亿人拥有移动电话。如果全球都安装了传感器网络，数目巨大的传感器会遍布世界各个角落；而用电池来驱动这种数目惊人的传感器是不大可能的。在这种情况下，一个可能的替代方案就是收集传感器所在环境中的能量。这是一个新的领域，纳米能源，即为微纳系统提供持久的、不需维护的、自驱动的能源。纳米能源的基本性能指标包括可用性、转换效率和稳定性。当器件处在光照环境下，使用太阳能电池是一个自然的选择。而当器件靠近一个发动机却处在黑暗中，收集机械振动的能量是最佳的选择。对于生物应用，收集肌肉拉伸中的形变能也是一个不错的方式。

纳米能源，作为一个全新的研究领域，是指利用新技术和微纳米材料来高效收集和储存环境中的能量，实现微纳系统的可持续运转。在过去的十年里，王中林及其团队研发了纳米发电机，并用其来构建自驱动系统和主动式传感器。他们巧妙地主要利用了两种物理效应来收集小型机械能：压电效应和摩擦起电效应。

摩擦纳米发电机(TENG)由王中林及其团队于2012年首先发明，其目的是利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能。这是一种颠覆性的技术并具有史无前例的输出性能和优点。它既用不着磁铁也不用线圈，在制作中用到的是质轻、低密度并且价廉的高分子材料。摩擦纳米发电机的发明是机械能发电和自驱动系统领域的一个里程碑式的发现，这为有效收集机械能提供了一个全新的模式。重要的是，和经典电磁发电机相比，摩擦纳米发电机在低频下（< 5～10Hz）的高效能是同类技术无法比拟的。TENG可以用来收集生活中原本浪费掉的各种形式的机械能，同时还可以用作自驱动传感器来检测机械信号。这种机械传感器在触屏和电子皮肤等领域具有潜在应用。

另外，如果把多个TENG 单元集成到网络结构中，它可以用来收集海洋中的水能，可以为大尺度的“蓝色能源”提供一种全新的技术方案，这有可能为整个世界的能源可持续发展作出重大贡献。

现今的电子设备大多与人类活动相关，主要是为了健康、安全和通信等。而与人类相关的最富余的能量形式就是人体运动产生的机械能。最近，我们发现：当两种不同材料相接触时，它们的表面由于接触起电作用会产生正负静电荷；而当两种材料由于机械力的作用分离时，接触起电产生的正负电荷也发生分离，这种电荷分离会相应地在材料的上下电极上产生感应电势差；如果在两个电极之间接入负载或者处于短路状态，这个感应电势差会驱动电子通过外电路在两个电极之间流动——这就是王中林课题组于 2012 年首次发明的摩擦纳米发电机（ TENG ），主要目标是收集小尺度的机械能。TENG 具有如下四种基本工作模式。

图1 摩擦纳米发电机的四种基本工作模式。（a）垂直接触-分离模式；（b）水平滑动模式；（c）单电极模式；（d）独立层模式

图2  收集各种不同形式机械能的 TENG 的实物照片。这些 TENG 和对应的机械能形式包括：（a）手指敲击的能量；（b）空气流动和风能；（c）平面内滑动能量；（d）封闭腔体的 TENG用来收集水能和机械振动能；（e）可以用纺织物收集的人体运动的动能；（f）用透明的 TENG来收集触屏操作的能量；（g）脚踏和手拍的能量；（h）水的冲击能量；（i）用圆柱形 TENG 来收集转动能量；（j）置于鞋内的 TENG 用来收集走路的能量；（k）柔性的栅格结构用来收集滑动的能量；（l）圆盘式 TENG 用来收集转动能量

基于以上描述的四种基本工作模式，我们对于具体的应用制备了多种不同结构的 TENG 。图 2 是我们制备的用来收集不同形式机械能的 TENG 的图片。这些结构都是为小型电子设备提供微纳能源的基本部件，通过将多个这样的基本部件集成到一起，可以实现用这个基本原理来进行大尺度发电。

在过去的 20 世纪里，现代社会通过广播和通信卫星建立起来的经济、文化和政治上的广泛联系都直接产生于麦克斯韦方程组的位移电流一项。物理学历史上认为牛顿的经典力学打开了机械时代的大门，而麦克斯韦电磁学理论则为信息时代奠定了基石。 1931 年，爱因斯坦评价麦克斯韦的建树“是牛顿以来，物理学最深刻和最富有成果的工作。”

从 1886 年到 20 世纪 30 年代，由位移电流第一项推导出电磁波理论，电磁感应现象催生出天线广播、电视电报、雷达微波、无线通信和空间技术。在 20 世纪60 年代，电磁统一产生光的理论，又给激光的发明和光子学的发展提供了重要的物理理论基础。此外，飞机、船舶和宇宙飞船的控制与导航，电力和微电子工业的技术进步都离不开麦克斯韦。

而从 2006 年至今，位移电流第二分量基于媒介极化的特点催生出压电纳米发电机和摩擦纳米发电机的兴起，将极大地推动新能源技术和自供电传感器技术的发展，使纳米发电机能源系统在物联网、传感器网络、蓝色能源甚至大数据等影响未来人类发展的重大方面得到广泛的应用。经过 150 余年的时空印记，追本溯源，纳米发电机是麦克斯韦位移电流继电磁波理论和技术后在能源与传感方面的另一重大应用。

图3  从麦克斯韦位移电流的两个分量导出的主要基础科学、技术和工业影响。左侧是衍生的电磁波理论影响了 20 世纪通信技术的发展；右侧是位移电流衍生的新技术用于能源和传感器，极大可能会影响未来世界的发展

在可以预见的未来，这棵汲取物理学第一大方程组营养的大树，将愈发茁壮成长，有可能引领技术革新，深刻改变人类社会（图3）。

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