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《环球科学》:纳米机器实现自我供电(图)

人才新闻中国仪表网2008年02月28日 08:53人气:648

 人类一直有一个梦想,就是让设备自动从周围环境中获取能量。早在20世纪20年代,制造商就设计出了一种手表,能够利用胳膊摆动产生的机械能自动上紧发条。

    为了给纳米尺度(十亿分之一米)的微小器件提供电能,我们开始设计体积更小的能量转换器——纳米发电机(nanogenerator)。随着电源的不断微型化,科学技术上许许多多的梦想将成为现实。也许在不久的将来,我们就能够看到可植入人体、不间断监视血糖变化的生物传感器,能自动感应建筑物(如桥梁)应力变化的检测传感器,和用于监测环境中各种毒素的探测器等等。所有这些仪器都可以从环境中自动获取能量,而不需要电池供电。

    在纳米机器人、活体生物、医学检测技术、微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,缩写为MEMS)、国土安全和便携式个人电子产品等方面,能源都不可或缺。比如在军事领域,某些高技术监视设备需要安置在不易接近并能够很好隐藏的地方,这些地方常常处于多尘、潮湿、昏暗等极端条件下,或是在浓密的丛林里,无法获取足够的太阳能。因此,我们必须寻找一种电源来驱动纳米传感器,但又不至于增加太多重量。这些微小的发电机一旦研制成功,应用前景将非常广阔。

    研究人员正通过不同的途径,设计可在微小尺度上产生电能的装置。周围环境里有各种各样的能量供我们开发利用,例如随机振动或运动动能(例如在靠近公路的地方)、温度梯度势能(例如在数米深的地下,温度相对恒定)、生物化学能,以及超声波,甚至声波噪音等外部能源。

    这些小尺度纳米器件有一项关键优势:能耗极低,仅有纳瓦(十亿分之一瓦)到微瓦量级(一百万分之一瓦)。纳米发电机能够输出这一量级的电能,可以用来驱动各种纳米器件。人体可提供多种潜在能量:机械能、热能、振动能、化学能(以葡萄糖的形式提供)和循环系统的液压能。将这些能源转变为电能,即使很少一部分,也足够驱动多个纳米器件了。
 

驱动微小系统

    任何电子器件的工作都离不开电。纳米发电机的出现,将解决微型电子器件面临的最大难题:寻找合适的电源。

    20世纪90年代末以来,微型电子器件得到了广泛应用。在我们的日常生活中,经常要用到大小介于微米和毫米之间的硅基器件,例如汽车安全气囊系统的加速计(accelerometer)和喷墨打印机的喷嘴等。如何为它们供电,成了最热门的研究课题之一。在研究人员的努力下,该项工作得到了飞速发展。例如,美国麻省理工学院传媒实验室的研究人员,利用压电效应(piezoelectric effect)设计出了能够发电的鞋子。(压电效应,是指某些晶体在受到机械压力作用时会产生一定的电压。)但是,要产生出可用的电功率非常困难,研究人员们转而开发能给微电子机械系统器件提供电能的发电机,因为这类器件的电量需求要小得多。为了使发电机得到相对较大的输出功率,研究人员还作了一些尝试,寻求可以将生物能和化学能转换为电能的途径,但目前的研究结果仍不理想。

    近年来,科学家们利用压电式传感器和电磁式传感器,发明出了基于振动的发电机。微型电磁发电机通过移动磁铁或线圈,在电路里产生交流电。尽管研究人员制造了一些大小与微电子机械系统相仿的微型发电机,但它们的尺寸仍然偏大,体积大约从1立方厘米到75 立方厘米不等,工作的振动频率介于50赫兹到5,000赫兹之间。一根双层构造的锆钛酸铅悬臂梁,一端固定,另一端放置一个重物,就构成了一个典型的压电式发电机,整个结构类似于跳水选手站在跳板上的情形。当重力驱使悬臂梁向下弯曲时,上部压电层受到拉应力,而下部受到压应力,导致悬臂梁的上下两个表面分别产生正负电势。重物上下振动,交变的电势就随之产生。不过由于这种发电机尺寸较大,重物的震荡主要靠重力来驱动。

    近两年,我们在美国佐治亚理工学院的研究小组,致力于纳米尺度压电发电机的研究。这种发电机的大小在纳米量级,在这一尺度下,事物的很多性质都发生了变化。例如重力,它在宏观世界处于相当重要的地位;但在纳米世界,相对化学键合力和分子间作用力而言,它的影响则要微弱得多。

  没有重力的世界

    在纳米尺度下,化学键合力和分子间作用力占据了主导地位,重力效果已经非常微小。研究者必须改变设计思路。

    在纳米世界里,重力的效果已经不再明显。假如有人打算用纳米尺寸的悬臂梁搭建一台压电效应发电机,他会发现重力作用几乎不能使悬臂产生持续振动,发电机也就无法工作了。所以我们必须改变纳米发电机的设计思路。我们的研究小组原创性地开发出了一系列纳米技术,可以将机械能(如人体运动和肌肉收缩)、振动能(如声波和超声波)以及液压能(如体液和血液流动)转换成电能,从而驱动纳米器件。

    20世纪90年代末,我最主要的研究方向是碳纳米管(carbon nanotube)。我们发明了一系列原位显微技术(situ microscopy),测量出了单根碳纳米管的机械、电学及场发射特性。然而人们一直无法有效地控制碳纳米管的电学性质。我立即想到,也许开发金属氧化物的纳米结构可以有很好的效果,这将是一个全新的领域。于是,我从2000年开始了对纳米带(nanobelt)和纳米线(nanowire)的研究工作。所谓纳米带,指的是某些金属氧化物(如氧化锌)在氩气环境中,被加热到900℃~1,200℃时,生成的一种白色羊毛状产物。

    我们的研究主要围绕氧化锌纳米线展开。氧化锌纳米线生长在导电衬底上,排列规则,每条纳米线都是完美的六边形柱状晶体。纳米线的合成则要借助催化剂。我们采用纳米金颗粒作为催化剂,将它们沉积于单晶氧化铝基片上。加热氧化锌产生蒸气,利用反应炉中的氩气将这些蒸气运送到基片位置。这时,金颗粒的下方就会生长出氧化锌纳米线。绝大多数纳米线直径介于30到100纳米之间,长度则介于1到3微米之间。

    2005年8月,我们在测量纳米线的机电耦合性质时,产生了将机械能转化为电能的想法。通过原子力显微镜(atomic force microscope,缩写为AFM),我们观测到了一些电压脉冲信号,但当时并不能完全确定它们的成因。直到当年11月,我们通过系统研究排除了摩擦、接触电阻以及其他一些可能产生混淆的因素之后,才最终确定那些电压信号是由氧化锌的压电效应产生的。下一步的工作,就是找出单根纳米线释放电压信号的具体过程。在详细研究了半导体器件理论之后,我提出了纳米发电机的基本工作原理。 
      氧化锌是少有的同时具有压电和半导体特性的材料。压电效应是一种由材料中的力学形变导致电荷极化的效应,它是实现机电耦合与传感的重要物理过程。氧化锌纳米线可以利用压电效应来实现弹性形变能到电能的转化。我们成功地演示了上述能量转换过程:首先通过原子力显微镜的导电针尖使竖直纳米线发生弯曲,纳米线上随之就会产生应变场,拉伸的表面对应正应变,而压缩的表面对应负应变。当针尖扫过氧化锌纳米线顶部时,我们观察到了对应于每一个接触点的电势输出峰(见第28页)。压电效应在拉伸和压缩的表面上分别产生了正负电势,纳米线内的电场也就建立起来了。

    这个已经非常完善的理论仍然需要用实验来证明。2005年圣诞节前夕,我设计了一个实验,通过光学显微镜和原子力显微镜,直接观察大量纳米线的电压输出。我和我的学生共同完成了这一实验。在12月底的一个晚上,我们终于获得了一系列录像,直接证明我提出的纳米发电机模型是可行的。第二天,我和我的博士研究生宋金会(Jinhui Song)一起剪辑了这些录像,并将实验结果送交《科学》杂志发表。

    为了满足实际应用,纳米发电机要由纳米线阵列组成,所有纳米线都必须连续产生电能,而且这些电能可以被收集并被传递到器件。另外,要使纳米发电机能够在独立且无线的模式下工作,电能必须由存在于周围环境中的波动能或振动能转换而来。于是我们设计了一套全新的方案来解决这些问题。

    提高纳米发电机的输出功率是我们接下来要面对的巨大挑战。我们必须完成三方面的任务:消除对原子力显微镜的依赖;使大量纳米线同时且连续地输出电信号;通过诸如超声波之类的机械波来间接激发纳米线。我想出了一个新的设计:用锯齿状的电极来代替原子力显微镜针尖,并将这一想法告诉了我的博士后助手王旭东(Xudong Wang)。他花了4个月做实验,采集到了第一组实验数据。然而,结果令人失望,输出的电信号依然很小。2006年5月到10月,我们专注于优化纳米发电机的设计及封装工艺,以此来增大输出功率。到了年底,我们的努力有了收获——向科学界公开纳米发电机的时机终于到了。

    我们的实验模型演示了通过压电纳米发电机连续输出直流电的过程,这在科学界尚属首次。纳米发电机由平行排列的氧化锌纳米线阵列和具有锯齿表面的镀铂硅电极构成。在电极上镀铂不仅可以增加导电性,而且可以形成类似二极管的电路,让电流只能单向地从金属流向半导体。电极放置在纳米线阵列上方,并且保持一定的距离。电极锯齿状表面就像是排列规则的显微镜探针阵列。在超声波的驱动下,锯齿状电极上下左右运动,导致纳米线弯曲,产生出电流。将电流汇聚起来,就可以带动外接器件。

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