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遇見未來新動力，納米發電機正在走來

2019-09-02 13:20:06 泰克科技

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最近由上海市科學學研究所、中國科學院上海生命科學研究院和上海科學技術情報研究所三家機構共同研究的《全球城市科技創新策源點觀察》，發布了15個最可能預見未來的科研方向，其中包括納米發電機等。

我們的生活環境中充滿了各種各樣能量，例如振動能、化學能、生物能、太陽能和熱能等，但這些能量多數未被利用起來或者利用率極低。基于納米技術的納米發電機是基于規則的氧化鋅納米線，在納米范圍內將機械能轉化成電能，是世界上最小的發電機。

無處不在的納米發電機

它的問世完全打破了人們對“發電機”尺寸的認識極限。納米發電機能實現對環境中特別微小機械能的進行收集和利用。例如，空氣或水的流動、引擎的轉動、機器的運轉等引起的各種頻率的噪音、人行走時肌肉伸縮或腳對地的踩踏、甚至在人體內由于呼吸、心跳或血液流動帶來的體內某處壓力的細微變化，都可以帶動納米發電機產生電能。因此，納米發電機理論為目前實現物聯網和傳感網絡以及大數據提供了理想的電源解決方案。

目前納米發電機可以分為三類：第一類是壓電納米發電機；第二類是摩擦納米發電機；第三類為熱釋電納米發電機。一般被應用在生物醫學、軍事、無線通信、無線傳感等領域。

在可拉伸和可穿戴電子器件飛速發展的當今時代，研究柔性機械能收集器件具有十分重要的價值和意義。近年，以柔性材料代替聚合物商業薄膜和金屬片組裝柔性摩擦納米發電機的研究成為亮點。近來柔性摩擦納米發電機研究成果不少，例如，普渡大學研發出基于殼聚糖的柔性可降解摩擦納米發電機，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士研究團隊研究了基于仿生水母的摩擦納米發電機、用于自供電醫療產品的多級納米結構纖維素纖維基摩擦納米發電機等。

小信號的精確測試充滿挑戰

由于納米發電自身的技術特點，在研究過程中需要測試單位面積機械能產生的電能，測試產生的電壓、微小的電流及功率信號，電壓基本在幾伏甚至幾十伏，而電流一般都是uA甚至nA級別，功率在mW甚至uW級別。如何精確測試微小電流及功率信號比較困難，對測試儀器精度和穩定性要求非常高。泰克吉時利公司專注于微小電信號測試，史上多位物理學諾貝爾獎獲得者都使用和信賴吉時利測試儀器。在納米發電研究中，吉時利的產品仍是業內的首選，尤其在微小信號測試值得信賴。
測量靈敏度的理論極限取決于在電路中的電阻所產生的噪聲。電壓噪聲是與電阻、帶寬和絕對溫度的乘積的平方根成正比的。圖中可見，源電阻限制了電壓測量的理論靈敏度，也就是說能準確測量一個1Ω源電阻的1uV信號時，如果該信號的源電阻變成1TΩ，則該測量就會變得不可能。因為在源電阻為1MΩ時對于1uV的測量已經接近理論極限了。這時候采用通常的數字萬用表是無法完成這類測量的，選擇合適的儀器是保證準確測試微小信號前提。