納米機(jī)器供電從周圍環(huán)境中自動獲取能量(組圖)
本欄目的信息由儀器信息網(wǎng)獨家供應(yīng)，如有轉(zhuǎn)載請注明：原文轉(zhuǎn)自儀器信息網(wǎng)，否則將追究其法律責(zé)任！ 王中林教授是美國佐治亞理工學(xué)院納米結(jié)構(gòu)表征中心主任。1998年，他發(fā)明了世界上最小的、可以秤取單個病毒質(zhì)量的“納米秤”。2000年，他又報道了納米帶結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)和合成。他曾在1999年榮獲美國顯微鏡學(xué)會巴頓獎?wù)?。本文由王中林教授用英文寫作，發(fā)表于《科學(xué)美國人》。隨后，又親筆翻譯成中文。在翻譯過程中，他根據(jù)研究的最新進(jìn)展，對原文進(jìn)行了補(bǔ)充。 人類一直有一個夢想，就是讓設(shè)備自動從周圍環(huán)境中獲取能量。早在20世紀(jì)20年代，制造商就設(shè)計出了一種手表，能夠利用胳膊擺動產(chǎn)生的機(jī)械能自動上緊發(fā)條。 為了給納米尺度(十億分之一米)的微小器件提供電能，我們開始設(shè)計體積更小的能量轉(zhuǎn)換器——納米發(fā)電機(jī)(nanogenerator)。隨著電源的不斷微型化，科學(xué)技術(shù)上許許多多的夢想將成為現(xiàn)實。也許在不久的將來，我們就能夠看到可植入人體、不間斷監(jiān)視血糖變化的生物傳感器，能自動感應(yīng)建筑物(如橋梁)應(yīng)力變化的檢測傳感器，和用于監(jiān)測環(huán)境中各種毒素的探測器等等。所有這些儀器都可以從環(huán)境中自動獲取能量，而不需要電池供電。 在納米機(jī)器人、活體生物、醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)、微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems，縮寫為MEMS)、國土安全和便攜式個人電子產(chǎn)品等方面，能源都不可或缺。比如在軍事領(lǐng)域，某些高技術(shù)監(jiān)視設(shè)備需要安置在不易接近并能夠很好隱藏的地方，這些地方常常處于多塵、潮濕、昏暗等極端條件下，或是在濃密的叢林里，無法獲取足夠的太陽能。因此，我們必須尋找一種電源來驅(qū)動納米傳感器，但又不至于增加太多重量。這些微小的發(fā)電機(jī)一旦研制成功，應(yīng)用前景將非常廣闊。 研究人員正通過不同的途徑，設(shè)計可在微小尺度上產(chǎn)生電能的裝置。周圍環(huán)境里有各種各樣的能量供我們開發(fā)利用，例如隨機(jī)振動或運動動能(例如在靠近公路的地方)、溫度梯度勢能(例如在數(shù)米深的地下，溫度相對恒定)、生物化學(xué)能，以及超聲波，甚至聲波噪音等外部能源。 這些小尺度納米器件有一項關(guān)鍵優(yōu)勢：能耗極低，僅有納瓦(十億分之一瓦)到微瓦量級(一百萬分之一瓦)。納米發(fā)電機(jī)能夠輸出這一量級的電能，可以用來驅(qū)動各種納米器件。人體可提供多種潛在能量：機(jī)械能、熱能、振動能、化學(xué)能(以葡萄糖的形式提供)和循環(huán)系統(tǒng)的液壓能。將這些能源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，即使很少一部分，也足夠?qū)動多個納米器件了。 納米發(fā)電機(jī)(前方)從周圍環(huán)境中吸取能量 人類一直有一個夢想，就是讓設(shè)備自動從周圍環(huán)境中獲取能量。早在20世紀(jì)20年代，制造商就設(shè)計出了一種手表，能夠利用胳膊擺動產(chǎn)生的機(jī)械能自動上緊發(fā)條。 為了給納米尺度(十億分之一米)的微小器件提供電能，我們開始設(shè)計體積更小的能量轉(zhuǎn)換器——納米發(fā)電機(jī)(nanogenerator)。隨著電源的不斷微型化，科學(xué)技術(shù)上許許多多的夢想將成為現(xiàn)實。也許在不久的將來，我們就能夠看到可植入人體、不間斷監(jiān)視血糖變化的生物傳感器，能自動感應(yīng)建筑物(如橋梁)應(yīng)力變化的檢測傳感器，和用于監(jiān)測環(huán)境中各種毒素的探測器等等。所有這些儀器都可以從環(huán)境中自動獲取能量，而不需要電池供電。 在納米機(jī)器人、活體生物、醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)、微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems，縮寫為MEMS)、國土安全和便攜式個人電子產(chǎn)品等方面，能源都不可或缺。比如在軍事領(lǐng)域，某些高技術(shù)監(jiān)視設(shè)備需要安置在不易接近并能夠很好隱藏的地方，這些地方常常處于多塵、潮濕、昏暗等極端條件下，或是在濃密的叢林里，無法獲取足夠的太陽能。因此，我們必須尋找一種電源來驅(qū)動納米傳感器，但又不至于增加太多重量。這些微小的發(fā)電機(jī)一旦研制成功，應(yīng)用前景將非常廣闊。 研究人員正通過不同的途徑，設(shè)計可在微小尺度上產(chǎn)生電能的裝置。周圍環(huán)境里有各種各樣的能量供我們開發(fā)利用，例如隨機(jī)振動或運動動能(例如在靠近公路的地方)、溫度梯度勢能(例如在數(shù)米深的地下，溫度相對恒定)、生物化學(xué)能，以及超聲波，甚至聲波噪音等外部能源。 這些小尺度納米器件有一項關(guān)鍵優(yōu)勢：能耗極低，僅有納瓦(十億分之一瓦)到微瓦量級(一百萬分之一瓦)。納米發(fā)電機(jī)能夠輸出這一量級的電能，可以用來驅(qū)動各種納米器件。人體可提供多種潛在能量：機(jī)械能、熱能、振動能、化學(xué)能(以葡萄糖的形式提供)和循環(huán)系統(tǒng)的液壓能。將這些能源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽词购苌僖徊糠?，也足夠?qū)動多個納米器件了。 驅(qū)動微小系統(tǒng) 任何電子器件的工作都離不開電。納米發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，將解決微型電子器件面臨的最大難題：尋找合適的電源。 20世紀(jì)90年代末以來，微型電子器件得到了廣泛應(yīng)用。在我們的日常生活中，經(jīng)常要用到大小介于微米和毫米之間的硅基器件，例如汽車安全氣囊系統(tǒng)的加速計(accelerometer)和噴墨打印機(jī)的噴嘴等。如何為它們供電，成了最熱門的研究課題之一。在研究人員的努力下，該項工作得到了飛速發(fā)展。例如，美國麻省理工學(xué)院傳媒實驗室的研究人員，利用壓電效應(yīng)(piezoelectric effect)設(shè)計出了能夠發(fā)電的鞋子。(壓電效應(yīng)，是指某些晶體在受到機(jī)械壓力作用時會產(chǎn)生一定的電壓。)但是，要產(chǎn)生出可用的電功率非常困難，研究人員們轉(zhuǎn)而開發(fā)能給微電子機(jī)械系統(tǒng)器件提供電能的發(fā)電機(jī)，因為這類器件的電量需求要小得多。為了使發(fā)電機(jī)得到相對較大的輸出功率，研究人員還作了一些嘗試，尋求可以將生物能和化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的途徑，但目前的研究結(jié)果仍不理想。 近年來，科學(xué)家們利用壓電式傳感器和電磁式傳感器，發(fā)明出了基于振動的發(fā)電機(jī)。微型電磁發(fā)電機(jī)通過移動磁鐵或線圈，在電路里產(chǎn)生交流電。盡管研究人員制造了一些大小與微電子機(jī)械系統(tǒng)相仿的微型發(fā)電機(jī)，但它們的尺寸仍然偏大，體積大約從1立方厘米到75立方厘米不等，工作的振動頻率介于50赫茲到5,000赫茲之間。一根雙層構(gòu)造的鋯鈦酸鉛懸臂梁，一端固定，另一端放置一個重物，就構(gòu)成了一個典型的壓電式發(fā)電機(jī)，整個結(jié)構(gòu)類似于跳水選手站在跳板上的情形。當(dāng)重力驅(qū)使懸臂梁向下彎曲時，上部壓電層受到拉應(yīng)力，而下部受到壓應(yīng)力，導(dǎo)致懸臂梁的上下兩個表面分別產(chǎn)生正負(fù)電勢。重物上下振動，交變的電勢就隨之產(chǎn)生。不過由于這種發(fā)電機(jī)尺寸較大，重物的震蕩主要靠重力來驅(qū)動。 近兩年，我們在美國佐治亞理工學(xué)院的研究小組，致力于納米尺度壓電發(fā)電機(jī)的研究。這種發(fā)電機(jī)的大小在納米量級，在這一尺度下，事物的很多性質(zhì)都發(fā)生了變化。例如重力，它在宏觀世界處于相當(dāng)重要的地位;但在納米世界，相對化學(xué)鍵合力和分子間作用力而言，它的影響則要微弱得多。 這是氧化鋅納米線的掃描電鏡照片。 氧化鋅納米線的直徑通常介于30～100納米之間，長度為1～3微米沒有重力的世界 在納米尺度下，化學(xué)鍵合力和分子間作用力占據(jù)了主導(dǎo)地位，重力效果已經(jīng)非常微小。研究者必須改變設(shè)計思路。 在納米世界里，重力的效果已經(jīng)不再明顯。假如有人打算用納米尺寸的懸臂梁搭建一臺壓電效應(yīng)發(fā)電機(jī)，他會發(fā)現(xiàn)重力作用幾乎不能使懸臂產(chǎn)生持續(xù)振動，發(fā)電機(jī)也就無法工作了。所以我們必須改變納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計思路。我們的研究小組原創(chuàng)性地開發(fā)出了一系列納米技術(shù)，可以將機(jī)械能(如人體運動和肌肉收縮)、振動能(如聲波和超聲波)以及液壓能(如體液和血液流動)轉(zhuǎn)換成電能，從而驅(qū)動納米器件。 20世紀(jì)90年代末，我最主要的研究方向是碳納米管(carbon nanotube)。我們發(fā)明了一系列原位顯微技術(shù)(situ microscopy)，測量出了單根碳納米管的機(jī)械、電學(xué)及場發(fā)射特性。然而人們一直無法有效地控制碳納米管的電學(xué)性質(zhì)。我立即想到，也許開發(fā)金屬氧化物的納米結(jié)構(gòu)可以有很好的效果，這將是一個全新的領(lǐng)域。于是，我從2000年開始了對納米帶(nanobelt)和納米線(nanowire)的研究工作。所謂納米帶，指的是某些金屬氧化物(如氧化鋅)在氬氣環(huán)境中，被加熱到900℃～1,200℃時，生成的一種白色羊毛狀產(chǎn)物。 我們的研究主要圍繞氧化鋅納米線展開。氧化鋅納米線生長在導(dǎo)電襯底上，排列規(guī)則，每條納米線都是完美的六邊形柱狀晶體。納米線的合成則要借助催化劑。我們采用納米金顆粒作為催化劑，將它們沉積于單晶氧化鋁基片上。加熱氧化鋅產(chǎn)生蒸氣，利用反應(yīng)爐中的氬氣將這些蒸氣運送到基片位置。這時，金顆粒的下方就會生長出氧化鋅納米線。絕大多數(shù)納米線直徑介于30到100納米之間，長度則介于1到3微米之間。 2005年8月，我們在測量納米線的機(jī)電耦合性質(zhì)時，產(chǎn)生了將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的想法。通過原子力顯微鏡(atomic force microscope，縮寫為AFM)，我們觀測到了一些電壓脈沖信號，但當(dāng)時并不能完全確定它們的成因。直到當(dāng)年11月，我們通過系統(tǒng)研究排除了摩擦、接觸電阻以及其他一些可能產(chǎn)生混淆的因素之后，才最終確定那些電壓信號是由氧化鋅的壓電效應(yīng)產(chǎn)生的。下一步的工作，就是找出單根納米線釋放電壓信號的具體過程。在詳細(xì)研究了半導(dǎo)體器件理論之后，我提出了納米發(fā)電機(jī)的基本工作原理。 基于規(guī)則的氧化鋅納米線的納米發(fā)電機(jī)。(A)在氧化鋁襯底上生長的氧化鋅納米線的掃描電子顯微鏡圖像。(B)在導(dǎo)電的原子力顯微鏡針尖作用下，納米線利用壓電效應(yīng)發(fā)電的示意圖。(C)當(dāng)原子力顯微鏡探針掃過納米線陣列時，壓電電荷釋放的三維電壓/電流信號圖 氧化鋅是少有的同時具有壓電和半導(dǎo)體特性的材料。壓電效應(yīng)是一種由材料中的力學(xué)形變導(dǎo)致電荷極化的效應(yīng)，它是實現(xiàn)機(jī)電耦合與傳感的重要物理過程。氧化鋅納米線可以利用壓電效應(yīng)來實現(xiàn)彈性形變能到電能的轉(zhuǎn)化。我們成功地演示了上述能量轉(zhuǎn)換過程：首先通過原子力顯微鏡的導(dǎo)電針尖使豎直納米線發(fā)生彎曲，納米線上隨之就會產(chǎn)生應(yīng)變場，拉伸的表面對應(yīng)正應(yīng)變，而壓縮的表面對應(yīng)負(fù)應(yīng)變。當(dāng)針尖掃過氧化鋅納米線頂部時，我們觀察到了對應(yīng)于每一個接觸點的電勢輸出峰。壓電效應(yīng)在拉伸和壓縮的表面上分別產(chǎn)生了正負(fù)電勢，納米線內(nèi)的電場也就建立起來了。 這個已經(jīng)非常完善的理論仍然需要用實驗來證明。2005年圣誕節(jié)前夕，我設(shè)計了一個實驗，通過光學(xué)顯微鏡和原子力顯微鏡，直接觀察大量納米線的電壓輸出。我和我的學(xué)生共同完成了這一實驗。在12月底的一個晚上，我們終于獲得了一系列錄像，直接證明我提出的納米發(fā)電機(jī)模型是可行的。第二天，我和我的博士研究生宋金會(Jinhui Song)一起剪輯了這些錄像，并將實驗結(jié)果送交《科學(xué)》雜志發(fā)表。 為了滿足實際應(yīng)用，納米發(fā)電機(jī)要由納米線陣列組成，所有納米線都必須連續(xù)產(chǎn)生電能，而且這些電能可以被收集并被傳遞到器件。另外，要使納米發(fā)電機(jī)能夠在獨立且無線的模式下工作，電能必須由存在于周圍環(huán)境中的波動能或振動能轉(zhuǎn)換而來。于是我們設(shè)計了一套全新的方案來解決這些問題。 提高納米發(fā)電機(jī)的輸出功率是我們接下來要面對的巨大挑戰(zhàn)。我們必須完成三方面的任務(wù)：消除對原子力顯微鏡的依賴;使大量納米線同時且連續(xù)地輸出電信號;通過諸如超聲波之類的機(jī)械波來間接激發(fā)納米線。我想出了一個新的設(shè)計：用鋸齒狀的電極來代替原子力顯微鏡針尖，并將這一想法告訴了我的博士后助手王旭東(Xudong Wang)。他花了4個月做實驗，采集到了第一組實驗數(shù)據(jù)。然而，結(jié)果令人失望，輸出的電信號依然很小。2006年5月到10月，我們專注于優(yōu)化納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計及封裝工藝，以此來增大輸出功率。到了年底，我們的努力有了收獲——向科學(xué)界公開納米發(fā)電機(jī)的時機(jī)終于到了。 我們的實驗?zāi)Ｐ脱菔玖送ㄟ^壓電納米發(fā)電機(jī)連續(xù)輸出直流電的過程，這在科學(xué)界尚屬首次。納米發(fā)電機(jī)由平行排列的氧化鋅納米線陣列和具有鋸齒表面的鍍鉑硅電極構(gòu)成。在電極上鍍鉑不僅可以增加導(dǎo)電性，而且可以形成類似二極管的電路，讓電流只能單向地從金屬流向半導(dǎo)體。電極放置在納米線陣列上方，并且保持一定的距離。電極鋸齒狀表面就像是排列規(guī)則的顯微鏡探針陣列。在超聲波的驅(qū)動下，鋸齒狀電極上下左右運動，導(dǎo)致納米線彎曲，產(chǎn)生出電流。將電流匯聚起來，就可以帶動外接器件。
