摩擦納米發(fā)電機(jī)--利用摩擦給手機(jī)充電?
2017-03-19 20:52:00 中國科普博覽有沒有想過擁有一臺永遠(yuǎn)不用充電的手機(jī)？有沒有想過在醫(yī)療領(lǐng)域，植入人體的很多元件永不斷電？有沒有想過在你的生活中，通過說話就能點亮一束花朵？我們從很小的時候就知道用尺子在頭皮上摩擦后可以吸起碎紙屑。老師和家長告訴我們這種現(xiàn)象叫“摩擦起電”。不知當(dāng)時人們是否想過，在若干年后的今天，這樣小小的摩擦也可以聚集起來形成供我們使用的“能源”。
摩擦起電（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
而這有賴于科學(xué)家發(fā)明的摩擦納米發(fā)點機(jī)Triboelectric Nano Generator（TENG）。摩擦納米發(fā)電機(jī)可以收集材料接觸、摩擦所產(chǎn)生的電能，供我們所利用。一個人走路2個小時能產(chǎn)生67W的能量，這等于0.3度電，相當(dāng)于可以為大約30部智能手機(jī)充滿電的電量。可以維持一臺普通的筆記本電腦連續(xù)工作20小時。
中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長王中林介紹說：“由于摩擦這一現(xiàn)象很普遍，在我們的生活中無處不有，甚至走路、衣服翻動都會有，因此我們發(fā)明了四種模式，可以把這種接觸、滑動等四種不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)化成電能，這就是摩擦納米發(fā)電技術(shù)，這種技術(shù)和傳統(tǒng)的技術(shù)還有優(yōu)勢互補的效果。”
使用輪機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)（火電、水電、風(fēng)電），再發(fā)電過程中會因為摩擦而損失相當(dāng)一部分能量。致使能量轉(zhuǎn)化效率偏低。而摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)恰好可以將一部分摩擦能轉(zhuǎn)化為電能，與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)相互補充，可以實現(xiàn)20%-40%的效率提升。
（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
納米能源：偶然發(fā)現(xiàn)的大成果
納米能源是一次偶然的發(fā)現(xiàn)才有了現(xiàn)在的成果。王中林院士講述了這樣一個小故事：團(tuán)隊從2006年開始微納能源技術(shù)研究，當(dāng)時曾想把心跳、手動等都轉(zhuǎn)化成電能，并且想要通過壓電效應(yīng)來達(dá)到這個目的。2008年做實驗的時候，他們偶然得到了比想象中高得多的電能輸出，當(dāng)時認(rèn)為是人為效應(yīng)或者是實驗差錯，因而就沒有注意。直到2011年，他們在實驗中再次發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象，接下來通過進(jìn)行仔細(xì)研究、分析這些樣品，經(jīng)過幾個月的分析發(fā)現(xiàn)，這些電能是由常見的摩擦效應(yīng)產(chǎn)生的。
自從那時起，王中林團(tuán)隊就一直進(jìn)行研究，到目前為止，三年間，他們發(fā)表了一百多篇文章，奠定了這方面的基本模式、基本理論、基本實驗方法以及一些應(yīng)用。王中林院士說道：“我們也沒有想到，偶然發(fā)現(xiàn)的這個技術(shù)變得如此重要，引發(fā)了全世界研究的浪潮，至少有30多個組織在做這方面的研究。從大陸到臺灣，從國內(nèi)到韓國，從歐洲到美國，很多人都在開展這項工作。從我們第一個開始研究，到現(xiàn)在普遍被探索，這是個好現(xiàn)象，它必然是能給人類能源帶來一線希望的。”
摩擦納米發(fā)電機(jī)：門檻低，應(yīng)用廣
很多人一定想問了，這個摩擦納米發(fā)電機(jī)一定很貴吧？能不能大規(guī)模普及呢？事實上，摩擦納米發(fā)電并沒有你們想象中的那么“高大上”，摩擦納米發(fā)電機(jī)成本上沒有多大門檻，因為它的材料具有普適性，技術(shù)也相對成熟，所以只要在這個基礎(chǔ)上加入納米材料，提高它的耐磨性、耐久性，它就能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍應(yīng)用。
摩擦納米發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛，從小能源到傳感技術(shù)再到大能源，覆蓋面非常廣。
例如：我們想快速測量體溫，（如果是現(xiàn)在的話）你必須有個電池才能驅(qū)動電子體溫計。（而使用摩擦納米發(fā)電技術(shù)）我們把一個材料戴在手上，把衣服搖晃兩下，就可以實現(xiàn)測量體溫，這就是穿戴式健康監(jiān)護(hù)，這種未來將是個大市場。所以這樣的應(yīng)用領(lǐng)域，我們稱之為微納能源。
（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
又如：北京西單商業(yè)區(qū)的人流進(jìn)進(jìn)出出，利用人走路踩過地面這個動作產(chǎn)生的電，每天就相當(dāng)于約2.5噸煤燃燒產(chǎn)生的電。這個能源在過去是我們沒有注意到的，但是這在我們現(xiàn)實生活中隨處可見。
摩擦納米發(fā)電普及后的生活是啥樣的？
讓我們大膽設(shè)想一下在未來摩擦納米發(fā)電普及之后我們的生活會是什么樣子呢？
每天早上7點，小李起床后的第一件事就是往智能水杯中倒水、喝水，在手接觸水杯的瞬間，產(chǎn)生的摩擦就能讓智能水杯開始運轉(zhuǎn)，水杯將飲水?dāng)?shù)據(jù)傳送到手機(jī)APP中，記錄飲水時間和飲水的量，到了喝水的時間點，APP就會自動提醒小李喝水及飲水量，一天均衡喝水so easy。
7點半，小李準(zhǔn)時出門，出門前，他會特意佩戴一件神器：智能手表。這塊手表還是一名健康衛(wèi)士，通過佩戴不僅可以記錄每天行走的距離，監(jiān)測人體心率、血液流動速度等，還能通過數(shù)據(jù)分析，得出人體健康指標(biāo)。這些數(shù)據(jù)和指標(biāo)都可以傳輸?shù)绞謾C(jī)上，小李很輕松就能了解自己的身體情況。
小李走入辦公室大門就自動打卡成功。
很快小李就投入到緊張的工作中去，十點多左右，手機(jī)“滴”了下，小李拿起一看，上面顯示休息提示：“您已經(jīng)就坐2小時了，快起來活動一下。”
午休結(jié)束后，小李到客戶的公司去開會。在地鐵上，小李發(fā)現(xiàn)手機(jī)電量不足，他從容地將手機(jī)放入衣服上的特殊口袋中。當(dāng)他們到達(dá)客戶的公司后，手機(jī)已經(jīng)充好了電。
回到家，小李才發(fā)現(xiàn)裝有重要合同的公文包竟然落在了客戶公司，小李心想：“好在是TENG防盜公文包，可以保證資料的安全。”小李給客戶打電話說明了情況，約好第二天去取。
終于回到家，小李拿出冰箱里的食材，準(zhǔn)備給自己好好做一頓飯。可是，誰承想做著做著，廚房的燈突然滅了，小李探頭一看，小區(qū)漆黑一片，原來是小區(qū)的供電線路被臺風(fēng)掛斷了。這時，小李淡定地啟動了安裝在房子外墻上的TENG臨時供電系統(tǒng)，家里的燈又亮了。小李繼續(xù)烹調(diào)美味，享受難得的休息時光。
海浪能：有待開發(fā)的摩擦能源
（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
在自然界中還蘊藏著巨量的摩擦能源有待開發(fā)，這其中最典型的就是海浪能。研究表明每平公里的海面上蘊藏著約20萬kW的能量。假設(shè)其中有10%的能量可以通過摩擦納米發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能，1平方公里的電能就可以點亮40萬只燈泡。那么，只需要在80平方公里的海域上建設(shè)納米摩擦發(fā)電機(jī)廠，其產(chǎn)生的電能就可以覆蓋整個上海市的用電需求！到那個時候，也就真正迎來了我們預(yù)想的藍(lán)色大能源時代！
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