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科学家讲“TENG”诞生
添加时间:2014-12-16  来源:中国科普博览网站  点击:1409  
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  中国科普博览:王老师您好,首先非常感谢您能接受我们中国科普博览的专访,让我们的读者有机会了解摩擦纳米发电机这一项前沿新能源技术。在我们普通人眼中,发电机一般是像汽轮机、水轮机、风力发电机这样很大的物体,很难把发电机和纳米这两个概念联系在一起,所以可不可以请您简单介绍下,什么是摩擦纳米发电机?

  王中林:我们大家所熟悉的传统发电机大部分是电磁发电机。我们在中学学习物理的时候,就知道磁铁穿过线圈可以产生电流。这一知识的发现要追随到1831年英国科学家法拉第首先提出了电磁感应原理,科学家利用这一原理发明出了电磁发电机,利用动力发电。可以说,这是把水力、风力、火力、核能变成电能最根本的技术。

  什么叫摩擦发电机呢?讲到摩擦,是我们每个人都熟悉的,初中学物理时,电学的第一节课就是摩擦起电,所以它是普遍被受众接受的。然而无论在人类科学发展的历史上,还是在我们日常生活中,一直把它当做一种负效应,研究所都是把它作为一种负效应来研究,(研究的)目的是减小摩擦的效应。

  但是在三年前,一个偶然的机会,我们在寻找微纳能源时,发现表面上修饰着纳米结构的塑料薄膜,它们互相之间切磋时就有静电产生。使我们吃惊的是,这种方式产生的电压电流是我们过去用压电产生的几十倍。从2011年我们发现这一现象到去年,在不到一年半的时间,我们使它的输出功率提高了五个数量级,而且使用的材料是完全透明的。生活中咱们常见的发电机,有几个是透明的?我们用这种塑料材料、薄膜材料,借助纳米技术修饰表面使机械能转化为电能。当然,完成到这一步,只是证明了这个概念。接下来我们要计它输出电能的效率,也就是说有多少摩擦能量可以转化为电能,通过实验我们获得的机械能转化效率是55%,我们最近还做了总转化功率,数字达到了85%,这可以说是惊人的。

  由于摩擦这一现象很普遍,在我们的生活中无处不有,甚至走路、衣服翻动都会有,因此我们发明了四种模式,可以把这种接触、滑动等四种不同的状态转化成电能,这就是摩擦纳米发电技术,这种技术和传统的技术还有优势互补的效果。

  中国科普博览:您觉得摩擦纳米发电机最大的优势是什么?

  王中林:第一,它使用的是我们生活常见的材料,例如我们穿着的衣料、纸质或一次性材料、我们平时用的陶瓷片、PVC、尼龙都可以。所以它的选材非常广,价格便宜,具有普适性。

  第二,这项技术的推广瓶颈相对较小,因为它选材广,又价廉,适合大规模生产。

  第三个优点是什么呢?它可以把我们平时各种各样被忽略的行为转化成电能,比如走路、背书包、汽车从地面上开过去等等。这些行为的利用,传统发电技术都做不到,但是我们可以做到。

  所以摩擦纳米发电的优势还是很明显的。

  中国科普博览:您认为它未来的应用前景怎么样?

  王中林:主要有三大应用领域:第一大领域是移动通讯、移动能源、从计算机的发展历程来看,从最早的真空管到晶体管,是第一次大的跨越;接下来,从晶体管做的大型计算机到几十年前出现的台式机,是第二次跨越;再接下来,从十几人一台或一家一台的台式机到人手一部甚至人手多部的手机,是小型化、移动化的第三次跨越。那么在手机之后的发展是什么?或许比手机更小的是什么?更加微小的单元是什么样态?当每个人用的数目增加,每个(单元)的尺寸减小。(就是逐渐流行的可穿戴智能设备)

  我们最近做了一项工作,举例来说,我们想快速测量体温,(如果是现在的话)你必须有个电池才能驱动电子体温计。(而使用摩擦纳米发电技术)我们把一个材料戴在手上,把衣服摇晃两下,就可以实现测量体温,这就是穿戴式健康监护,这种未来将是个大市场。所以这样的应用领域,我们称之为微纳能源。可以设想一下,虽然每个人用的电量不大,但是总量是巨大的。

  第二个应用是自驱动的传感。物联网、环境监测方面和国防技术方面。我触发摩擦纳米发电机,它就变信号出来,如果发电机是把电流收集起来,那反过来,如果我监测信号,就知道它触发的情况。利用这一原理我们做了一个小型传感器,贴在胸部、喉咙上,可以测量我们血压和血液在身体的流动状态。这些我们做了系统研究,在健康传感方面有很好的应用前景。

  除此之外,它还可以应用到安保方面。把它安装在门把手上,如果有人按上去就会产生信号从而实现立即报警,这叫触感。同样的原理还可以安装到地面上、屋子里,当无人进入时不会开启,但一旦有人踩上去,它就可以产生信号并启动监视状态。这种应用不仅节能而且节省数据。因而摩擦纳米发电机在安全、医疗监护、健康领域有重要用途。

  第三大领域较为长远,我们称之为大能源。我们现在看风力发电机,体积庞大,风力太小带动不起来。而现在利用我们的技术,在一堵墙上做出蜂窝状的小洞,只要有风就可以发电。这就颠覆性地摆脱了传统方法,当然,这并不是说传统方法就没有用了,而是我们能够实现了传统方法无法完成的任务。

  再从风能延伸到海洋能,假如你到海边度假,看海浪起伏,尤其远海起伏颇大。海洋能和太阳能的区别在于,海洋能不受天气影响,反而是天气越坏海浪起伏越大。同时海洋能不分昼夜,而太阳能只能白天产生。如果我们能把这种昼夜不停的能源转化为电能,并有效地接入国家电网,我相信这将改变国家整个大能源形势。

  我粗略地进行了一个计算:据文献报道,三峡大坝的发电能力,是20个吉瓦,即10的9次方瓦。先不说电能有多少,但三峡大坝所花人力物力,且不说对环境对国家安全造成的影响,就说移民工程所花时间与财力是巨大的。如果我们的摩擦纳米发电技术做得好,在200公里乘以200公里的海面,利用5米深的水就可以产生相当于约三峡大坝产生的总电量。在远海,200公里乘以200公里的海面上不算大。

  再有这样一个例子,西单商业区的人流进进出出,利用人走路踩过地面这个动作产生的电,每天就相当于约2.5吨煤燃烧产生的电。这个能源在过去是我们没有注意到的,但是这在我们现实生活中随处可见。

  所以摩擦纳米发电技术,从小能源到传感技术再到大能源,覆盖面非常广。

  中国科普博览:确实是非常令人向往的应用前景,那么摩擦纳米发电机的材料大规模生产有门槛吗?

  王中林:成本上没有多大门槛,因为它的材料具有普适性,技术也相对成熟,所以我们只要在这个基础上加入纳米材料,提高它的耐磨性、耐久性,它就能够实现大范围应用。

  中国科普博览:您是在怎样的一个契机下开创这个研究领域的?

  王中林:这里有一个发展的故事。有时我们在研究中,想寻找的或者在寻找的路上碰到的,往往和期待的是不一样的。

  (摩擦纳米发电技术)这个是怎么发现的呢?我是2006年开始微纳能源技术研究,当时曾想把心跳、手动等都转化成电能,并且想要通过压电效应来达到这个目的。2008年我们做实验的时候,偶然得到了比想象中高得多的电能输出,当时我们猜想是人为效应或者是实验差错,因而就没有注意。直到2011年,我们在实验中再次发现这个现象,我们好奇为什么这些样品偶尔输出的电会是我们平时做的3-5倍,这时引起了我们的警觉,接下来我们开始进行仔细研究、分析这些样品。经过几个月的分析发现,这些电能是由我们常见的摩擦效应产生的。

  自从那时起,我们就一直进行研究,到目前为止,三年间,我们发表了一百多篇文章,奠定了这方面的基本模式、基本理论、基本实验方法以及一些应用。所以,我们是在遇见机会的时候,抓住了机会的尾巴。我们在实验和寻找的过程中,碰见这样的特殊效应,在一开始我们不期待也不理解,但仔细研究却得到一个惊人的发现。所以在研究中,有时要心胸开阔,我们偶遇的东西可能比我们期待的东西更好,这确实是一个很有趣的探索过程。我们也没有想到,偶然发现的这个技术变得如此重要,引发了全世界研究的浪潮,至少有30多个组织在做这方面的研究。从大陆到台湾,从国内到韩国,从欧洲到美国,很多人都在开展这项工作。从我们第一个开始研究,到现在普遍被探索,这是个好现象,它必然是能给人类能源带来一线希望的。

  中国科普博览:您在研究过程中遇到过什么问题吗?

  王中林:遇到过很多问题。第一个问题,是我最早做微纳能源研究的时候,有人质疑甚至写文章说这个微纳能源这么小,有什么用?但我觉得这些质疑都是正常的。为什么?如果我们做的东西很容易被大家接受,那说明这些东西新意不够,大家之所以质疑,是因为它是全新的并且还没被大家发现,所以我们就是用数据证明它的价值。

  还有一个问题,在研究期间,我们受到了很多资源方面的限制。要做东西必须要有资源,没有资源是做不下去的。但是情况越困难,我们就越要坚韧不拔,不能放弃。别人对我们可以没信心,但我们对自己一定要有信心,别人可以不看好前景,我们自己一定要看好未来。就是抱着这种心态,我们坚持走下来,一直走到了今天。

  中国科普博览:我们提到清洁能源的时候,一般都是"绿色能源","蓝色能源"这一概念的提出是出于一种什么思路呢?

  王中林:先说纳米能源吧,纳米能源最早是我提出来的,现在已经变成一个大领域,我们也有个这领域的期刊,叫Nano-energy。

  什么叫蓝色能源?我们现在讲的绿色能源是太阳能、风能等。但是未来我觉得很多能量是隐藏在海洋里,形成了海洋能源,因为海洋是蓝色的,所以称之为超越绿色的蓝色能源。

  中国科普博览:您刚才提到的太阳能、风能,经过这么多年的发展,它们在电力供应中占的比例都还是较低,我们想知道这是为什么呢?

  王中林:风能、太阳能等其实在国内的发展还是比较迅猛,但在国内可以利用太阳能的地方还不多,主要是对欧美出口,它的成本比较高。风能和太阳能最大的限制因素是不稳定。例如,昨天下雨没太阳,今天阳光灿烂,太阳能的起伏太大。风能也是一样的,有时有风,有时没风,这种情况就限制了它的发展。

  针对这种情况,所以需要发展新技术,既稳定又价廉,又能实现规模化,同时不占用和浪费陆地上很多资源。假如说咱们利用太阳能,要占用很多陆地面积。沙漠宽广可以利用,但是沙漠位置一般都较远,能源的输运比较困难。所以我觉得未来应该走发展蓝色能源的道路,这种能源是昼夜存在的,还没有被开发。

  自然界给予了我们两种东西是不要任何代价的,第一个是太阳,第二个是引力。海洋中的潮汐是引力所致,如果能进行开发,我们有可能为国家的大能源发展开辟新的道路。至于到底什么叫新型能源,可以考究一下,如果能把新型能源叠加起来,例如把太阳能、风能、海洋能叠加起来,我相信能够找到一个很好的方法。

  中国科普博览:您在美国佐治亚大学,是这个领域世界顶尖的科学家,您是怎么样想回国内发展呢?

  王中林:实际上,我同国内(机构一起)做研究已经很多年了,从1992年到现在已经22年,这前后我培养了很多国内的学者。我自己到目前为止已经培养了包括博士、博士后、访问学者共160余人,其中有130位华人学者,他们分布在国内很多领域、很多高校,并且这已经是二十多年的统计数据。我自己也在美国工作多年,我觉得我们的研究已经走到了在应用领域里大发展的时候,我们需要大舞台和大资源,需要大量人力物力的投入,这将能给社会带来改变、对能源产业起到一定(推动)作用。同时我们国内面临着能源产业转型的问题,我们过去很多的是虚拟产业,现在必须做到原创、核心技术的产业,这样才能实现持续发展。中国有巨大的能源需求,换句话说,我们这个国家不解决能源问题,将来的发展必然要受到限制。所以这个问题不是选不选的问题,而是you have no choice,你必须解决这个问题。在这种情况下,我们已经开辟了这项技术的原创领域,组成了这个学科的基本建设,同时拥有发展这个技术的大舞台,因而应该发挥这一技术的重要作用。

  中国科普博览:根据您的观察,这些年国内的学术环境有哪些变化,纳米科学领域和国外相比有哪些优势和不足?

  王中林:一直以来,我和国内的学界接触较多,我觉得近几年来,(国内)在学术水准上,提升很快,特别是很多年轻人成长起来,不只是人数多,而且品质也很高。所以这可以在国际上形成一定的竞争力,我对这还是充满信心。

  在有些领域,比如纳米材料的制造、纳米表征方面等领域,中国还是在国际上处于领先地位,所以国内外研究室优势互补,各有千秋。但是我们还是要抓紧发展机会,在应用上做工作,因为科学发展成为技术还是不容易的。

  中国科普博览:您有什么给年轻科研工作者的建议吗?

  王中林:国家制定各种激励政策,给年轻人提供了很多机会,这是难能可贵的。我希望年轻人能够借助这个机会,培养扎扎实实做学问的学风,不浮夸,更不要有侥幸的心态,按阶段逐步进行研究。

  就像现在,有人会对我说:"王老师,你们发的文章很多啊。"我说:"是的,我们发的每一篇文章都有它的特色,每一篇文章都有它的地位。"为什么呢?就像我们要建一栋楼,不能栽两根柱子就甩手不做了,那能成为屋子吗?那离屋子还差的远。所以我们不仅要栽柱子、架梁,还要内部装修,因而在科研中有大文章,也有小文章,不管是哪篇文章,它都是围绕这个建筑的整体。我们对于文章不要去计较多一篇或少一篇,发文章是为了建设美丽的居住环境,那么每一点都在做贡献,所以它的每一点都必不可少。这就是我们每天在做的事情,目标就是不断推动这个学科的发展和这个领域的前进。

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