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论文作者:王中林 期刊:《自然—纳米技术》 发布时间:2008-11-13 10:25:23
科学家研制成新型小型发电机
 
美国佐治亚理工学院教授王中林已经开发出了一种新型的小型发电机,可以通过伸长并放回氧化锌电线来产生交流电。此电线埋植在柔软塑胶片中。此新发电机是第四代装置,是利用氧化锌的压电效应将环境中的机械能转化为电能,从而达到发电的目的。此新成果发表在11月9日的《自然—纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上。
 
王中林表示此装置为家庭提供了一种小型发电机,可以用来驱动医用传感器、环境监测器和个人电子设备等等。此新发电机能产生高达45毫伏的输出电压,可以将施加到氧化锌电线上的近7%的机械能转化为电能。
 
在此之前,王中林和他的研发小组曾开发过纳米线纳米发电机和微纤维纳发电机,它们是通过反复接触垂直生长的氧化锌纳米线和电极或是机械磨擦纳米线上覆盖的纤维来发电的。这些装置都很难建造,因为机械接触会引起磨损,长时间操作就不行了。另外,由于氧化锌可溶于水,因此湿气不能侵袭它们。而此新发电机解决了先前装置中存在的几个主要问题。王中林表示,此新装置性能更加强大,且消除了湿气渗透和机械磨损的问题。从实际应用来看,这是一大进步。
 
为加大其发电量,科学家将此新发电机以阵列排列起来,构建了多层新发电机结构并形成了模块,之后再埋植到衣服、旗帜、建筑装饰材料、鞋子甚至人体内,可以驱动心脏起博器和其它医生传感器。
 
当这些模块被机械拉长并放回时,由于压电效应导致氧化锌丝产生压电电压之后释放出来,如此反复就可持续发电。科学家解释说,一些晶体的结构缺乏对称性,当这种晶体受到压力而改变形状时,便会放出少量的电流,这就是压电效应。氧化锌就具备产生压电效应的特性。当电子进进出出时,就产生了交流电。
 
科学家用直径只有3—5微米、长度为200—300微米的氧化锌细丝制成了这一新型发电机,如此看来,此新发电机不再是纳米级的结构。王中林表示,较大的个头更容易制造,但工作同样要细微到纳米级别。
 
新发电机是如何制作的?首先,此氧化锌电线通过物理蒸镀方法在近600摄氏度温度下长成。之后在光学显微镜的协助下,科学家将氧化锌电线埋入聚酰亚胺塑料膜中,此电线两端用银膏封存,以充当电极。接着,此电线和电极被封存在聚酰亚胺塑料片中,以保护它们能经受得起磨损和环境退化。
 
为测量其所发电量,科学家利用发动机驱动的机械臂对此塑料片及其里面的氧化锌电线进行周期性弯曲。由弯曲导致的抗拉应变会沿着此包埋电线产生一个压电势场,之后依次推动电子流入外电路,从而产生交互电荷和放电循环,从而形成电流。加大弯曲度能增加输出电流和电压。王中林认为电流的频率只能通过聚酰亚胺塑料的机械性能来限制。
 
科学家对此新发电机进行了多次测试,验证其所产生的电流是可测量的。利用同样的实验装置,他们拉伸涂有多晶氧化锌的碳化纤维和凯夫拉尔纤维,结果没有发现电流的产生。(来源:网易探索 尼特)
 
(《自然—纳米技术》(Nature Nanotechnology),doi:10.1038/nnano.2008.314,Rusen Yang,Zhong Lin Wang)
 
 
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