纳米发电机步入能量转化新里程
对纳米科技专家王中林来说，2010年是兴奋、突破也是充满希望的一年。（图片提供：《科学》）
对纳米科技专家王中林来说，2010年是兴奋、突破也是充满希望的一年。
3月28日，英国《自然—纳米技术》报道了他的研究小组的两项研究新成果：具有高电压输出的纳米发电机、首次实现基于纳米线的自驱动纳米体系。
4月16日，美国《科学》杂志新闻焦点栏目发表综述文章，介绍将废弃能量转化为可用电能的纳米发电机。文章说：“将运动能量转化为电能的这种微小设备不可能驱动城市，但它们很快就足以能为手持电子设备和看不见的感应器阵列充电。”
纳米发电机的理念是由王中林于2006年首先提出的，之后，美国《科学》杂志将纳米发电机的研发作为一个崭新领域推出。
王中林是美国佐治亚理工学院校董事教授、杰出讲座教授，中国科学院外籍院士。2006年，他提出：“提高纳米发电机的输出电压和功率的最终目标，是实现纳米器件的自驱动化，即不需要外接电源或电池。”
王中林的研究小组研制出世界上第一台纳米发电机。如今，他说，纳米发电领域的发展“已经到了一个关键时刻……我相信，按这种势头发展下去，在不久的将来，纳米发电机就会影响到人们的日常生活”。
在这篇题为《纳米发电机：用废弃能量驱动超小电器》的文章中，美国《科学》杂志介绍了在纳米发电机领域取得最新突破的3位科学家：
普林斯顿大学的化学家麦迈克·卡尔平，他的研究小组研制出可嵌入硅胶中的柔性压力材料（PZT）纳米丝带发电机，如果嵌入衣服之中，这种微型发电机能将身体行动时产生的能量转化为手机电能；
佐治亚理工学院的物理学家王中林，他的研究小组发明的氧化锌纳米发电机可输出迄今为止最高的电压——2.4伏特，而标准AA电流的输出电压是1.5伏特，并且实现基于全纳米线的自驱动纳米体系；
加州大学伯克利分校机械工程师林立伟领导的小组，他们研制出一种具有压力感觉发电特征的长纳米纤维，如织入衣服，也可将运动能转化为电能，为手机充电。
卡尔平在文章中称赞王中林是提出几个纳米发电机概念的先锋。他认为，王中林小组研制的高输出电压纳米发电机是一项很棒的工作。
最近20年，纳米科学界对纳米材料合成的应用研究方兴未艾，特别是纳米器件研究。纳米器件具有功耗小、反应灵敏等宏观器件所不具有的优势。从2000年开始，王中林意识到氧化锌纳米材料独特的半导体、光学和生物特性，先后合成出氧化锌纳米带、纳米环和纳米螺旋。但这些研究主要集中在纳米器件本身，如何解决纳米器件的充电电源是一个新问题。
压力材料一般是指由锆钛酸铅组成的一种薄膜。早在1880年，科学家就发现，将电压作用在这种压力材料上，会让其产生应变；也就是说，压力材料能将电能转化为机械能。
2006年初，在美国《科学》杂志的论文中，王中林提出了通过由压电材料合成的纳米线将机械能转化为电能，并首次提出了纳米发电机的原理。随后，他把压电所产生的电场应用于控制半导体中载流子的输运过程，因此提出了压电电子学（Piezotronics）的新概念。
“纳米发电机和压电电子学是这个领域十多年来最让我激动的发明，一定会引起整个纳米学界对纳米电源研究的巨大热潮。”王中林当时说，“这一发明可以整合纳米器件，实现真正意义上的纳米系统，它可以收集机械能，比如人体的运动、肌肉的收缩、血液的流动；震动能，比如声波、超声波；甚至流体能量，比如体液的流动、血液的流动、动脉的收缩等，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件，最终实现自供能量的纳米器件。”
第一台纳米发电机在原子力显微镜的帮助下将机械能转化为电能，但要实现从科学发现到实际应用的飞跃，最重要的一步是摆脱对原子力显微镜的限制，让纳米线能“独立”吸收外界环境中的机械能，并实现电能的转化和释放。2007年4月，王中林小组在美国《科学》杂志上报告说，他们开发出不依赖于原子力的显微镜，以及能连续不断输出直流电的纳米发电机——由超声波驱动的便携式直流纳米发电机。
2008年2月，王中林的研究小组再次取得突破性进展：通过在弹性纤维上生长氧化锌纳米线，他们成功地将纤维的低频震动转化为电能。
2009年1月，他们在《自然—纳米技术》期刊上报告，已开发出由高分子薄膜封装的交流纳米发电机。
高电压输出的纳米发电机和自驱动纳米器件是王中林小组的最新成果。《自然—纳米技术》期刊的审稿人评价说：“该研究小组一直致力于研究基于氧化锌纳米线的新纳米能源先驱，论文中报告的工作不仅是纳米发电机性能上的一个大突破，而且为纳米新能源的设计、装配和提高使用寿命等提供了新方法和新思路……该工作是纳米科技创新的典范，将在未来实现自驱动的化学、生物、医学传感探测器等无线遥控的纳米器件中发挥重要作用。”
展望未来，美国《科学》杂志的文章说，今天，人们对能源最绝望的想法是产生无碳的万亿瓦特级电能，而不是微瓦级或纳米瓦级电能，但如果其中一种纳米发电机研制成功，它们能大规模生产电能吗？“三位专家均表示目前这一目标不太可能实现，他们的工作是在小尺度范围内进行的，然而，这也足以影响人们的日常生活，特别是携带式和可移动型小型电器。”
