空氣或水的流動，引擎、空調(diào)的噪音，人的行走、呼吸、心跳或是血液流動，都有可能產(chǎn)生電能？這在遙遠的未來，也許并非夢想

□ 本刊記者 于達維/文

    這并非天方夜譚：只要存在運動——不管是聲音的振動，還是血液的流動，甚至人的行走——在不久的將來，或許都能被轉(zhuǎn)化成電能。
　　4月6日出版的美國《科學(xué)》（Science）雜志上，美國佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）教授、中國國家納米科學(xué)中心海外主任王中林，正式向外界展示了由超聲波驅(qū)動的直流納米發(fā)電機。

超聲波發(fā)電機
　　實際上，早在去年4月14日，一向?qū)π路椒?、新理論十分熱衷的《科學(xué)》雜志，就報道了王中林所在的小組，首次在納米（十億分之一米）尺度范圍內(nèi)將機械能轉(zhuǎn)換成電能的研究成果。
　　作為世界上最小的發(fā)電機，王研制的納米發(fā)電機巧妙地利用了氧化鋅納米線的半導(dǎo)體性能和壓電效應(yīng)。他們用導(dǎo)電的原子力顯微鏡探針針尖去彎曲豎直的氧化鋅納米線，由于壓電效應(yīng)，被彎曲的納米線表面上就會產(chǎn)生反極性的極化電荷。由于氧化鋅本身具備半導(dǎo)體性質(zhì)，所以，這些的電荷會被累積儲存在納米線上；然后，當(dāng)探針離開后納米線就會恢復(fù)形狀，并產(chǎn)生電流。
　　據(jù)測算，這種納米發(fā)電機的發(fā)電效率可以達到17％-30％。而現(xiàn)在最好的太陽能電池的實際發(fā)電效率，也僅在20％上下。
　　但是，要繼續(xù)推進這項研究，一個無法回避的問題，就是如何擺脫對顯微鏡探針的依賴，即用其他方式使納米線發(fā)生彎曲，從而產(chǎn)生電能。比如，如果能夠通過聲波、超聲波或水壓能來實現(xiàn)這一點，就意味著可以從周圍環(huán)境中獲得電能，從而產(chǎn)生一個強大的動力源。
　　幾乎整整一年之后，王中林終于推出了改進版的納米發(fā)電機——它不需要探針的幫助，超聲波就可以完成讓納米線發(fā)生振動的“使命”：
　　他們讓納米線在電極板上垂直生長，與上面的電極的接觸面則被設(shè)計成鋸齒狀，并且覆蓋著金屬鉑。由于納米線極其纖細，一旦有外界環(huán)境震動，無論是超聲波，還是人的行走、潮汐的運動，甚至心臟跳動（如果被植入人體內(nèi)部的話），納米線受到機械運動產(chǎn)生的動能傳導(dǎo)的影響，自身就會產(chǎn)生微小的共振或者說擺動、變形，從而在表面積累起電荷。
　　由于納米線與上面的電極之間的空隙非常小，形狀又是鋸齒形的，加上電極本身也會產(chǎn)生上下振動，所以，在納米線擺動過程中，很容易就會碰到上面的鉑電極，從而把電流輸送出來。
　　根據(jù)最新的設(shè)計，在頻率為41千赫茲的超聲波作用下，分布在2平方毫米面積的氧化鋁基片上的500根納米線的陣列，不僅可以輸出強度約一納安（nA）的連續(xù)電流，更可以將電流輸出保持一個多小時而沒有任何衰減。
　　王中林在接受《財經(jīng)》記者采訪時表示，這一研究的突破之處，還在于通過將大量的納米線集中在鋸齒狀的電極板中間，讓納米線能夠同時、連續(xù)和獨立地吸收外界環(huán)境中的機械能，并第一次實現(xiàn)了連續(xù)性的直流輸出。這也給植入人體、遙感的納米器械和納米機器人實現(xiàn)能量自給帶來了新的曙光。
　　近年來，尺寸微小、功耗低、反應(yīng)靈敏的納米器件和納米機器人，一直是納米學(xué)術(shù)界的前沿，因為它可以完成微觀醫(yī)療以及遙感等普通人力難以企及的使命。但對于全球眾多的研究者而言，最大的問題是，不管納米器械做到多小，仍然不得不依賴龐大的外接電源；更不用說由于常規(guī)電池多含有毒性物質(zhì)，使得一些醫(yī)用納米微型設(shè)備無法植入人體了。
　　如果不能同步實現(xiàn)器件和電源的小型化，讓納米器械進入微觀世界，也許只能是紙上談兵?，F(xiàn)在，隨著納米發(fā)電機的出現(xiàn)，這一前景重新變得光明起來。
　　哈佛大學(xué)化學(xué)系教授查爾斯萊博（Charles Lieber）對《財經(jīng)》記者指出，這一發(fā)明，為如何給納米器件提供電力這一關(guān)鍵問題“提出了解決方案”。

電池末日？
　　到目前為止，水能、風(fēng)能乃至潮汐能的大規(guī)模利用都已經(jīng)成為現(xiàn)實；但如何將動能直接轉(zhuǎn)化成電能，并驅(qū)動便攜設(shè)備，一直是個巨大的挑戰(zhàn)。
　　歷史最為悠久、應(yīng)用范圍最廣的化學(xué)電池，是利用電化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能加以儲存，并在使用時將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能。從伏打電池到現(xiàn)在，化學(xué)電池經(jīng)過了十幾代更新，先后出現(xiàn)了鋅錳電池、鉛酸電池，鎳鎘、鐵鎳、銀鋅、銀鎘、鋰電池，燃料電池等不同種類。它們利用不同金屬、不同電解液的電化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)電能和化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)化。
　　“化學(xué)電池經(jīng)過200多年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，性能提高了很多。加上體積小、攜帶方便，通過化學(xué)的方式儲存電能還是最常用的方式。”中國電池工業(yè)協(xié)會秘書長王敬忠對《財經(jīng)》記者說。
　　不過，對于大多數(shù)化學(xué)電池來說，生產(chǎn)和回收過程中所造成的重金屬污染，一直是無法克服的難題。
　　除了化學(xué)電池，物理電池包括了利用光伏效應(yīng)將太陽光能直接轉(zhuǎn)換成電能的太陽電池、利用塞貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的溫差電池，以及將原子核放射能直接轉(zhuǎn)換為電能的核電池等。但至少就目前而言，對于物理電池來說，效率和成本還是兩大瓶頸。
　　采用對人體無害且價格相對低廉的氧化鋅作為材料的納米發(fā)電機，顯然開啟了一個全新的“窗戶”。
　　在王中林看來，空氣或水的流動、引擎的轉(zhuǎn)動、空調(diào)或其他機器的運轉(zhuǎn)等引起的各種頻率的噪音、人行走時肌肉伸縮或腳對地的壓縮，甚至在人體內(nèi)由于呼吸、心跳或血液流動帶來的體內(nèi)某處壓力的細微變化，將來都有可能帶動納米發(fā)電機產(chǎn)生電能。
　　有數(shù)據(jù)顯示，血液流動產(chǎn)生的能量約為0.93瓦，呼吸也能產(chǎn)生0.83瓦的能量，人行走可以產(chǎn)生67瓦的能量。而且，相對于壽命有限的電池，納米發(fā)電機可以工作很長的時間，甚至可以保證人體中的微觀器械一生中的能量供應(yīng)而無需更換。
　　“納米線相對于薄膜電源的主要優(yōu)勢，就是它的耐久能力特別強，幾乎不會有疲勞效應(yīng)。所以，這樣的納米發(fā)電機可以用很長很長時間。”王中林補充說。
　　不過，現(xiàn)在就對傳統(tǒng)電池說“再見”，顯然還遠不是時候。
　　中國化學(xué)與物理電源協(xié)會秘書長劉彥龍對《財經(jīng)》記者表示，現(xiàn)在電池界也不斷從材料上對電池進行改進，盡量向無毒、環(huán)保的方向努力，新產(chǎn)品也在不斷出現(xiàn)。對于新興的納米發(fā)電機來說，在很多情況下，可能還需要傳統(tǒng)電池的配合，才能保證電源在不同環(huán)境條件下的持續(xù)工作。
　　萊博教授也指出，同任何研究一樣，公眾對納米發(fā)電機馬上就能實際應(yīng)用的期待“不要過高”。因為從實驗室階段到完成工程化乃至真正走入市場，都需要時間，而這個時間表顯然也“不容易預(yù)測”。

爭奪未來
　　根據(jù)王中林的預(yù)測，使用納米發(fā)電驅(qū)動的微觀器械有望在三年內(nèi)問世，并在五至八年的時間內(nèi)得到大規(guī)模的應(yīng)用。
　　“現(xiàn)在小組里的八個學(xué)生都放下了手里的其他工作，全力做這個事（納米發(fā)電機）。”中國國家納米中心的博士生武祥對《財經(jīng)》記者透露。
　　目前，納米發(fā)電機一次放電過程中，在電阻上的輸出電壓約為8微伏；一個10微米×10微米大小的納米線陣列所產(chǎn)生的功率，足可以驅(qū)動基于單根納米線、納米帶以及納米管的裝置。串聯(lián)1000根這樣的納米線，即可輸出8伏的電壓，這已經(jīng)相當(dāng)于普通干電池的供電能力。
　　但實際情況卻要復(fù)雜得多。
　　王中林對《財經(jīng)》記者表示，從理論上說的確如此，但串連這么多的納米線，實際上是不現(xiàn)實的。比如，最困難的問題，就是如何讓氧化鋅納米線生長得長度一致；如果共同振動的納米線不能同時接觸極板的話，就無法同時輸出電能。
　　除了進一步改良納米線的生長方式，讓它們在粗細和長度上接近一致，并且在極板上均勻分布，以便讓盡量多的納米線可以同時產(chǎn)生電能，下一步是希望通過進一步改進技術(shù)，使得僅用少量的納米線，就可以達到0.5伏到1伏的輸出水平，“我相信在一年的時間內(nèi)，就可以達到這個目標(biāo)”。王說。
　　此外，要實現(xiàn)工程化目標(biāo)，還需要進一步提高納米發(fā)電機的封裝水平，以便提高能量轉(zhuǎn)換效率；更為宏大的目標(biāo)，則是在諸如人體運動、機械振動和聲波等低頻振動的情況下，提高能量轉(zhuǎn)化的效率。因為目前氧化鋅納米線的典型共振頻率約為10兆赫茲，對高頻振動更加敏感，其輸出電能的效率也相對更高。而如何實現(xiàn)其對人體、水流這樣的低頻振動的響應(yīng)，是一個必須解決的問題。
　　在這樣的前沿領(lǐng)域，競爭自然也難以避免，一水之隔的臺灣大學(xué)奈米科技研究中心的陳永芳教授，就是可能的挑戰(zhàn)者之一。雖然參考了王的發(fā)明，一年前，他卻選擇了性質(zhì)與氧化鋅頗為相似的氮化鎵，進行自己的納米發(fā)電機實驗。
　　氧化鋅的成本比較低，但氮化鎵工業(yè)上的用途更廣，技術(shù)上比較成熟，在以電子代工為主業(yè)的臺灣很容易獲得。在接受《財經(jīng)》記者采訪時，陳表示，現(xiàn)在還有很多工作要做，“很多困難要克服”。
　　王中林承認，氮化鎵在半導(dǎo)體和壓電效應(yīng)上與氧化鋅很相似，但他強調(diào)，氮化鎵納米線在生長上的難度比較大，它需要在特別復(fù)雜和昂貴的環(huán)境。而且，氮化鎵還對環(huán)境產(chǎn)生污染，“我相信氧化鋅還是最好的。”
    當(dāng)然，我們也許應(yīng)該拋開煩瑣的技術(shù)細節(jié)，在科學(xué)允許的范圍內(nèi)，暢想一下納米電源可能帶來的未來——
　　除了完全無線、可生物植入、長時期甚至終生無需照管的納米或微電子器件，將來的士兵在軍鞋中安裝這種納米發(fā)電機，通過行走就能為隨身攜帶的微型設(shè)備供電，而不必在戰(zhàn)場上背負沉甸甸的電池。
　　如果愿意，當(dāng)然不僅是士兵，每個人的衣服上、鞋子里等，都可以放置這樣的電源，為身上攜帶的便攜電子設(shè)備（包括MP3、手機等）提供能量。屆時惟一的問題，可能就是需要不斷運動來給它充電?！?/font>