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科学家研发出以老鼠为动力的纳米发电机

日期:2009-02-17    来源:网易探索  作者:网易探索

国际电力网

2009
02/17
10:22
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关键词: 科学家 发电机

    小小的仓鼠是否能帮我们解决全球能源危机?也许不能,不过穿着特质发电夹克衫的仓鼠正在身体力行地为创造全新可再生电力来源而努力奔跑着。来自美国乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员们还采用相同的纳米技术成功实现了通过简单的敲手指动作来产生电流,这让用户利用手指打字为黑莓(BlackBerry)、手机及其他手持电子设备自行供电的目标距离最终实现又更近了一步。

    来自美国乔治亚理工大学材料科学与工程系的王中林教授称:“利用纳米技术,我们已经证明了很多利用不规则、低能量生物能来转换成电能的方法,这项技术可以将任何一种机械扰动(Mechanical Disturbance)转换成电能。”

    2月11日,美国化学学会(American Chemical Society)期刊《纳米通讯》(Nano Letters)网络版对于这项利用生物能产生电能的演示成果进行了报道。这项研究得到了美国国防部高级研究计划局(DARPA)、美国能源部、美国空军以及埃默里-乔治亚理工大学癌症纳米技术中心的大力支持。

    研究表明,王中林教授自2005年开始研发的纳米发电机可以通过无规则机械运动所产生的能量驱动。所谓无规则机械动作,包括了:声带振动、旗子在风中飘动、手指敲击以及仓鼠在转轮上奔跑等活动。能从这种不规则动作中获得低频能量是非常了不起的成果,因为与我们目前绝大多数发电过程中常用的规则性机械运动不同,很多生物能都是不断变化且毫无规则的。

    这种纳米发电机能量产生于压电效应,这是一种在特定材料(如氧化锌导线)中存在的独特现象。在这些材料导线被弯曲再释放开的过程中,能自然产生电荷。这种电线直径在100-800纳米以内,长度介于100-500微米之间。

    王教授所带领的研究团队为制造这种发电机,特别将氧化锌导线压缩封装入一个易于弯曲的聚合体基底中,导线的两端用电刷固定,并在导线的一端接上肖特基屏障二极管(Shottky Barrier Diodes)以控制电流的流动。之后,他们将其中一个单线发电机连接在食指上,或者将四个单线发电机合并后连接在仓鼠穿的“黄马甲”上。

    仓鼠奔跑或爪子搔抓的动作,以及食指敲击的动作能使包裹着纳米导线的聚合体基底弯曲,这样就可以产生少量的交流电电流。连接在食指上的单个发电机产生的电流较小,而整合安装在仓鼠马甲上的四个纳米发电机所产生的电流可达到0.5纳米安培。

    王教授表示,要实现为蓝牙耳机这样的便携式电子设备供电,至少需要将几千个这种可建立在三维模块中的单线发电机整合在一起。

    除了手指敲击和仓鼠奔跑运动外,王教授认为他研发的模块还可以植入人体中,从肌肉运动或血管脉动过程中获取能量。在身体内部,它们还可以用来为纳米设备提供能量,以测量血压或其他生命迹象。

    由于该设备所产生的是交流电,安装在仓鼠背上的四个发电机的同步性能非常重要,这样才能最大限度的产生电流。如果不同步,发电机中产生的电流有可能会互相抵消。

    这个研究小组成员还包括杨汝森、秦勇、李成和朱光等人。他们利用单向弯曲的基底迫使发电机向同一个方向弯曲,这就解决了上述问题。不过,每个发电机输出的电流实质上还是存在着细微的不同。造成这种不一致的原因在于基底弯曲程度无法达到精确的一致性,以及手工制造设备会存在必然的误差。

    王教授指出:“纳米发电机必须达到同步性,让所有输出的电流都可以协调一致,这样才能获得足够大的电流。我们希望今后通过设计上的改进和制造工艺上的提高使这个问题在不久的将来得以解决。”

    为了确保电流确实是通过纳米发电机产生的,研究人员采取了几项措施来进行验证。例如,他们用不具备压电效应的碳纤维取代氧化锌纳米导线,试验中就没有测量到有输出电流的信号。

    在利用仓鼠做实验的过程中,研究小组还遇到过不少困难。比如,一开始研究小组成员试图为一只老鼠穿上发电用的马甲,结果却发现老鼠对跑步并不感兴趣。在听取了王教授女儿梅利莎的建议后,研究人员发现与老鼠相比,喜欢运动的仓鼠是更好的实验对象——但前提是时间必须在晚上11点之后。此外,他们还对马甲的尺寸不断作出调整,以确保不会在仓鼠奔跑过程中脱落,同时也不会太紧以至让仓鼠紧张或感到不舒服。

    王教授还补充道:“我们相信,这是世界上第一个利用活的动物和纳米发电机来产生电能的实验。这项研究表明,我们是可以利用人或动物的运动来发电的。”
 

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