人類一直有一個夢想，就是讓設備自動從週圍環境中獲取能量。早在20世紀20年代，制造商就設計出了一種手表，能夠利用胳膊擺動產生的機械能自動上緊發條。
為了給納米尺度（十億分之一米）的微小器件提供電能，我們開始設計體積更小的能量轉換器——納米發電機（nanogenerator）。隨著電源的不斷微型化，科學技術上許許多多的夢想將成為現實。也許在不久的將來，我們就能夠看到可植入人體、不間斷監視血糖變化的生物傳感器，能自動感應建築物（如橋梁）應力變化的檢測傳感器，和用于監測環境中各種毒素的探測器等等。所有這些儀器都可以從環境中自動獲取能量，而不需要電池供電。
在納米機器人、活體生物、醫學檢測技術、微電子機械系統（Micro-Electro-Mechanical Systems，縮寫為MEMS）、國土安全和便攜式個人電子產品等方面，能源都不可或缺。比如在軍事領域，某些高技術監視設備需要安置在不易接近並能夠很好隱藏的地方，這些地方常常處于多塵、潮濕、昏暗等極端條件下，或是在濃密的叢林裡，無法獲取足夠的太陽能。因此，我們必須尋找一種電源來驅動納米傳感器，但又不至于增加太多重量。這些微小的發電機一旦研制成功，應用前景將非常廣闊。
研究人員正通過不同的途徑，設計可在微小尺度上產生電能的裝置。週圍環境裡有各種各樣的能量供我們開發利用，例如隨機振動或運動動能（例如在靠近公路的地方）、溫度梯度勢能（例如在數米深的地下，溫度相對恆定）、生物化學能，以及超聲波，甚至聲波噪音等外部能源。
這些小尺度納米器件有一項關鍵優勢：能耗極低，僅有納瓦（十億分之一瓦）到微瓦量級（一百萬分之一瓦）。納米發電機能夠輸出這一量級的電能，可以用來驅動各種納米器件。人體可提供多種潛在能量：機械能、熱能、振動能、化學能（以葡萄糖的形式提供）和循環系統的液壓能。將這些能源轉變為電能，即使很少一部分，也足夠驅動多個納米器件了。
驅動微小系統
任何電子器件的工作都離不開電。納米發電機的出現，將解決微型電子器件面臨的最大難題：尋找合適的電源。
20世紀90年代末以來，微型電子器件得到了廣泛應用。在我們的日常生活中，經常要用到大小介于微米和毫米之間的硅基器件，例如汽車安全氣囊系統的加速計（accelerometer）和噴墨打印機的噴嘴等。如何為它們供電，成了最熱門的研究課題之一。在研究人員的努力下，該項工作得到了飛速發展。例如，美國麻省理工學院傳媒實驗室的研究人員，利用壓電效應（piezoelectric effect）設計出了能夠發電的鞋子。（壓電效應，是指某些晶體在受到機械壓力作用時會產生一定的電壓。）但是，要產生出可用的電功率非常困難，研究人員們轉而開發能給微電子機械系統器件提供電能的發電機，因為這類器件的電量需求要小得多。為了使發電機得到相對較大的輸出功率，研究人員還作了一些嘗試，尋求可以將生物能和化學能轉換為電能的途徑，但目前的研究結果仍不理想。
近年來，科學家們利用壓電式傳感器和電磁式傳感器，發明出了基于振動的發電機。微型電磁發電機通過移動磁鐵或線圈，在電路裡產生交流電。盡管研究人員制造了一些大小與微電子機械系統相仿的微型發電機，但它們的尺寸仍然偏大，體積大約從1立方釐米到75 立方釐米不等，工作的振動頻率介于50赫茲到5,000赫茲之間。一根雙層構造的鋯鈦酸鉛懸臂梁，一端固定，另一端放置一個重物，就構成了一個典型的壓電式發電機，整個結構類似于跳水選手站在跳板上的情形。當重力驅使懸臂梁向下彎曲時，上部壓電層受到拉應力，而下部受到壓應力，導致懸臂梁的上下兩個表面分別產生正負電勢。重物上下振動，交變的電勢就隨之產生。不過由于這種發電機尺寸較大，重物的震蕩主要靠重力來驅動。
近兩年，我們在美國佐治亞理工學院的研究小組，致力于納米尺度壓電發電機的研究。這種發電機的大小在納米量級，在這一尺度下，事物的很多性質都發生了變化。例如重力，它在宏觀世界處于相當重要的地位；但在納米世界，相對化學鍵合力和分子間作用力而言，它的影響則要微弱得多。
沒有重力的世界
在納米尺度下，化學鍵合力和分子間作用力佔據了主導地位，重力效果已經非常微小。研究者必須改變設計思路。
在納米世界裡，重力的效果已經不再明顯。假如有人打算用納米尺寸的懸臂梁搭建一台壓電效應發電機，他會發現重力作用幾乎不能使懸臂產生持續振動，發電機也就無法工作了。所以我們必須改變納米發電機的設計思路。我們的研究小組原創性地開發出了一系列納米技術，可以將機械能（如人體運動和肌肉收縮）、振動能（如聲波和超聲波）以及液壓能（如體液和血液流動）轉換成電能，從而驅動納米器件。
20世紀90年代末，我最主要的研究方向是碳納米管（carbon nanotube）。我們發明了一系列原位顯微技術（situ microscopy），測量出了單根碳納米管的機械、電學及場發射特性。然而人們一直無法有效地控制碳納米管的電學性質。我立即想到，也許開發金屬氧化物的納米結構可以有很好的效果，這將是一個全新的領域。于是，我從2000年開始了對納米帶（nanobelt）和納米線（nanowire）的研究工作。所謂納米帶，指的是某些金屬氧化物（如氧化鋅）在氬氣環境中，被加熱到900℃∼1,200℃時，生成的一種白色羊毛狀產物。
我們的研究主要圍繞氧化鋅納米線展開。氧化鋅納米線生長在導電襯底上，排列規則，每條納米線都是完美的六邊形柱狀晶體。納米線的合成則要借助催化劑。我們採用納米金顆粒作為催化劑，將它們沉積于單晶氧化鋁基片上。加熱氧化鋅產生蒸氣，利用反應爐中的氬氣將這些蒸氣運送到基片位置。這時，金顆粒的下方就會生長出氧化鋅納米線。絕大多數納米線直徑介于30到100納米之間，長度則介于1到3微米之間。
2005年8月，我們在測量納米線的機電耦合性質時，產生了將機械能轉化為電能的想法。通過原子力顯微鏡（atomic force microscope，縮寫為AFM)，我們觀測到了一些電壓脈衝信號，但當時並不能完全確定它們的成因。直到當年11月，我們通過系統研究排除了摩擦、接觸電阻以及其他一些可能產生混淆的因素之後，才最終確定那些電壓信號是由氧化鋅的壓電效應產生的。下一步的工作，就是找出單根納米線釋放電壓信號的具體過程。在詳細研究了半導體器件理論之後，我提出了納米發電機的基本工作原理。
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