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超声波驱动式纳米发电机问世
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| 科学网 2007-04-09 |
图片说明：王中林手中拿着的是纳米发电机的原型。它由一系列氧化锌纳米线构成。（图片来源：佐治亚理工学院）
继去年研制出世界上最小的发电机――纳米发电机后，美国佐治亚理工学院王中林教授的研究小组再次开发出由超声波驱动的直流纳米发电机。这一最新的成果发表在4月6日出版的美国《科学》杂志上。两位评审人对该工作给予高度的评价。一位审稿人认为这是一项极具原创性的科研成果；另一审稿人认为该工作是纳米科技研发的典范，未来在医学生物，国防技术，能源技术和日用生活方面的应用将非常广泛。
王中林认为，去年的工作在原子力显微镜的帮助下，通过压电材料合成的单根纳米线将机械能转化成电能，今年工作的突破性进展是摆脱对原子力显微镜的依赖，使一列纳米线能够同时，连续和“独立”地吸收外界环境中的机械能并完成到电能的转化与释放，为技术转化和应用奠定了原理性的基础并迈出了关键性的一步。
2006年，王中林和博士生宋金会利用竖直结构的氧化锌纳米线的独特性质，在原子力显微镜下研制出将机械能转化为电能的纳米发电机，为实现纳米系统电源小型化建立了基石性的原理，并在此基础上他首次提出了纳米压电电子学 (nanopiezotronics) 的研发新概念和新领域。然而，要实现从科学发现到实际应用的飞跃，最重要的一步就是要摆脱对原子力显微镜的依赖，使纳米线阵列能够“独立”地吸收外界环境中的机械能，并完成到电能的转化与释放。
为了实现这一目标，王中林和博士后王旭东博士以及博士生宋金会、刘晋组成了研究小组。他们让氧化锌纳米线在单晶氮化镓衬底上均匀、竖起生长。在纳米线的生长过程中，由于催化剂的作用，一层氧化锌薄膜同时沉积在所有纳米线的底端，因此可以直接用于纳米发电机的一个电极。而另一个电极则被放置于纳米线的顶端，并用柔软的聚合物将四周固定。为了能实现电能的储存和释放，顶部电极与纳米线的接触面被设计成了锯齿状并覆盖了一层数百纳米厚的金属铂（图一）。锯齿状电极是该发明的核心，它模拟了一列拨动纳米线针尖阵列的作用。在顶部电极和纳米线之间还留有一个很小的间隙，使得它们能够进行一定程度上的相对震动或形变。当外界环境中的震动波（在实验中用超声波代替）传到纳米发电机上时，会导致顶部电极的上下震动以及纳米线的左右摆动或共振。
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