陕西省科学技术协会科普宣传专栏 世界上最小的发电机 纳米发电机

6月14日，2019年度“阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖”揭晓，西安电子科技大学校友，中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、国科大纳米学院院长、美国佐治亚理工学院终身讲席教授王中林斩获这一世界性的大奖，成为首位获此殊荣的华人科学家。

王中林是国际公认的纳米科学与技术领域的领军型科学家。2006年，王中林成功研制出世界上最小的发电机——纳米发电机，被誉为“纳米发电机之父”。

纳米发电机是什么？它有什么作用？让我们一起来了解一下。

纳米发电机是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机，是在纳米范围内将机械能转化成电能，是世界上最小的发电机。据报道，它的问世完全打破了人们对发电机尺寸的认识极限。纳米发电机能实现对环境中特别微小机械能的收集和利用。例如，空气或水的流动、引擎的转动、机器的运转等引起的各种频率的噪音，人行走时肌肉伸缩或脚对地的踩踏，甚至在人体内由于呼吸、心跳或血液流动带来的体内某处压力的细微变化，都可以带动纳米发电机产生电能。

2012年，王中林带领团队构建了全新的纳米器件“摩擦纳米发电机”，其目的是利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能。这是一种颠覆性的技术，它既用不着磁铁也不用线圈，在制作中用到的是质轻、低密度并且价廉的高分子材料。“摩擦纳米发电机”的发明，被认为是机械能发电和自驱动系统领域的一个里程碑式的发现，为有效收集机械能提供了一个全新的模式。

据报道，小巧的“摩擦纳米发电机”可以把人走路、说话、心跳、肌肉收缩等运动中由摩擦产生的能量收集起来，转换成电能，为一些设备供电。这样一来，未来很多装置在身体中的医疗器械就不再需要电池，可以实现自己发电。

重要的是，和经典电磁发电机相比，“摩擦纳米发电机”在低频下的高效能是同类技术无法比拟的。“摩擦纳米发电机”可以用来收集生活中原本浪费掉的各种形式的机械能，同时还可以用作自驱动传感器来检测机械信号。这种机械传感器在触屏和电子皮肤等领域具有广泛的应用前景。

今年，王中林团队又研制出了真正意义上的自驱动心脏起搏器——共生型心脏起搏器（SPM）。这款可植入式自驱动心脏起搏器，不需要电池供能，仅从心脏搏动中就能收集足够的能量，确保心脏起搏器工作。实验显示，共生型心脏起搏器在每次心动周期所收集的能量已超过起搏人类心脏所需要的能量。目前，SPM已在实验动物体内实现了“全植入”的自驱动运行，并成功开展大动物模型心律不齐的治疗。这项突破意味着，诸多患者今后不必再为更换电池失效的起搏器遭受多次手术之苦了。

另外，纳米发电机还有一个重要领域的应用：如果把多个发电机单元集成到网络结构中，它可以用来收集海洋中的水能，为“蓝色能源”提供一种全新的技术方案，有望为整个世界的能源可持续发展作出重大贡献。

链接：爱因斯坦世界科学奖爱因斯坦世界科学奖以伟大的科学家阿尔伯特·爱因斯坦的名字命名，象征着国际科学界的崇高荣誉，由世界文化理事会设立。该奖项从1984年开始每年颁发1次，每次获奖人数仅为1人，目的是表彰和鼓励世界科学技术领域的重大研究进展，授予为人类带来福祉的杰出科学家。

该奖获奖人由来自50个国家和地区的124位世界著名科学家组成的跨学科委员会选出，委员会成员包括25名诺贝尔奖得主。之前已有35名科学家获得此奖项，其中包括4位诺贝尔奖得主。世界文化理事会还每两年评选一次“爱因斯坦世界艺术奖”“爱因斯坦世界教育奖”，3个奖项总计已产生74名获奖人。

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