納米機器供電從周圍環境中自動獲取能量(組圖)
本欄目的信息由儀器信息網獨家供應，如有轉載請注明：原文轉自儀器信息網，否則將追究其法律責任！ 王中林教授是美國佐治亞理工學院納米結構表征中心主任。1998年，他發明了世界上最小的、可以秤取單個病毒質量的“納米秤”。2000年，他又報道了納米帶結構的發現和合成。他曾在1999年榮獲美國顯微鏡學會巴頓獎章。本文由王中林教授用英文寫作，發表于《科學美國人》。隨后，又親筆翻譯成中文。在翻譯過程中，他根據研究的最新進展，對原文進行了補充。 人類一直有一個夢想，就是讓設備自動從周圍環境中獲取能量。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，能自動感應建筑物(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并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，或是在濃密的叢林里，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。周圍環境里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，溫度相對恒定)、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。 納米發電機(前方)從周圍環境中吸取能量 人類一直有一個夢想，就是讓設備自動從周圍環境中獲取能量。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，能自動感應建筑物(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并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，或是在濃密的叢林里，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。周圍環境里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，溫度相對恒定)、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，在電路里產生交流電。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立方厘米到75立方厘米不等，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。 這是氧化鋅納米線的掃描電鏡照片。 氧化鋅納米線的直徑通常介于30～100納米之間，長度為1～3微米沒有重力的世界 在納米尺度下，化學鍵合力和分子間作用力占據了主導地位，重力效果已經非常微小。研究者必須改變設計思路。 在納米世界里，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臺壓電效應發電機，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。我們采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沖信號，但當時并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后，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后，我提出了納米發電機的基本工作原理。 基于規則的氧化鋅納米線的納米發電機。(A)在氧化鋁襯底上生長的氧化鋅納米線的掃描電子顯微鏡圖像。(B)在導電的原子力顯微鏡針尖作用下，納米線利用壓電效應發電的示意圖。(C)當原子力顯微鏡探針掃過納米線陣列時，壓電電荷釋放的三維電壓/電流信號圖 氧化鋅是少有的同時具有壓電和半導體特性的材料。壓電效應是一種由材料中的力學形變導致電荷極化的效應，它是實現機電耦合與傳感的重要物理過程。氧化鋅納米線可以利用壓電效應來實現彈性形變能到電能的轉化。我們成功地演示了上述能量轉換過程：首先通過原子力顯微鏡的導電針尖使豎直納米線發生彎曲，納米線上隨之就會產生應變場，拉伸的表面對應正應變，而壓縮的表面對應負應變。當針尖掃過氧化鋅納米線頂部時，我們觀察到了對應于每一個接觸點的電勢輸出峰。壓電效應在拉伸和壓縮的表面上分別產生了正負電勢，納米線內的電場也就建立起來了。 這個已經非常完善的理論仍然需要用實驗來證明。2005年圣誕節前夕，我設計了一個實驗，通過光學顯微鏡和原子力顯微鏡，直接觀察大量納米線的電壓輸出。我和我的學生共同完成了這一實驗。在12月底的一個晚上，我們終于獲得了一系列錄像，直接證明我提出的納米發電機模型是可行的。第二天，我和我的博士研究生宋金會(Jinhui Song)一起剪輯了這些錄像，并將實驗結果送交《科學》雜志發表。 為了滿足實際應用，納米發電機要由納米線陣列組成，所有納米線都必須連續產生電能，而且這些電能可以被收集并被傳遞到器件。另外，要使納米發電機能夠在獨立且無線的模式下工作，電能必須由存在于周圍環境中的波動能或振動能轉換而來。于是我們設計了一套全新的方案來解決這些問題。 提高納米發電機的輸出功率是我們接下來要面對的巨大挑戰。我們必須完成三方面的任務：消除對原子力顯微鏡的依賴;使大量納米線同時且連續地輸出電信號;通過諸如超聲波之類的機械波來間接激發納米線。我想出了一個新的設計：用鋸齒狀的電極來代替原子力顯微鏡針尖，并將這一想法告訴了我的博士后助手王旭東(Xudong Wang)。他花了4個月做實驗，采集到了第一組實驗數據。然而，結果令人失望，輸出的電信號依然很小。2006年5月到10月，我們專注于優化納米發電機的設計及封裝工藝，以此來增大輸出功率。到了年底，我們的努力有了收獲——向科學界公開納米發電機的時機終于到了。 我們的實驗模型演示了通過壓電納米發電機連續輸出直流電的過程，這在科學界尚屬首次。納米發電機由平行排列的氧化鋅納米線陣列和具有鋸齒表面的鍍鉑硅電極構成。在電極上鍍鉑不僅可以增加導電性，而且可以形成類似二極管的電路，讓電流只能單向地從金屬流向半導體。電極放置在納米線陣列上方，并且保持一定的距離。電極鋸齒狀表面就像是排列規則的顯微鏡探針陣列。在超聲波的驅動下，鋸齒狀電極上下左右運動，導致納米線彎曲，產生出電流。將電流匯聚起來，就可以帶動外接器件。
