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。