摩擦起電這一現象，想必很多人都聽說過，初中物理電學部分的第一課學習(xi) 的就是摩擦起電，在幹燥環境下由於(yu) 摩擦而造成的靜電也常常讓人頭疼不已。既然生活中摩擦無處不在，那麽(me) 如何讓這個(ge) 令人厭煩的情況變成人見人愛的“正能量”？就成為(wei) 了科研人員研究和探索的方向。 

　　其中，中國科學院北京納米能源與(yu) 係統研究所王中林把摩擦起電和納米能源相結合，進而研發出來的摩擦納米發電機，在當時引起了人們(men) 的廣泛關(guan) 注。 

　　在我們(men) 大家的印象中，發電機一般是汽輪機、水輪機、風力發電機這樣的大型機器，它們(men) 大部分是電磁感應發電機，原理也很簡單，在中學物理課本上，就學習(xi) 過磁鐵穿過線圈可以產(chan) 生電流。這一星空体育官网入口网站的發現還要追溯到1831年，英國科學家法拉第首先提出了電磁感應原理，並便利用這一原理發明出了電磁發電機，利用動力發電。可以說，這是把水力、風力、火力、核能變成電能最根本的技術。 

　　聽過傳(chuan) 統發電機的電磁感應原理之後，我們(men) 想要把發電機和納米這兩(liang) 個(ge) 概念聯係在一起，就更加困難了。但在科研人員眼中，隻要注意細節，認真研究，就會(hui) 有不一樣的發現，其中發現摩擦納米發電技術就有這樣一個(ge) 故事。 

　　2006年，王中林開始微納能源技術研究，當時他曾經想把心跳、身體(ti) 的動作等都轉化成電能，並且想要通過壓電效應來達到這個(ge) 目的。 

　　壓電效應，指的是某些電介質在沿一定方向上受到了外力的作用，形狀發生變化時，它的內(nei) 部就會(hui) 產(chan) 生極化現象，同時在它的兩(liang) 個(ge) 相對表麵上會(hui) 出現正負相反的電荷。當這個(ge) 外力去掉後，它又會(hui) 恢複到不帶電的狀態，這種現象稱為(wei) 正壓電效應；反之，當在電介質的極化方向上增加一個(ge) 電場，那麽(me) 這些電介質就會(hui) 在電場的作用下，形狀發生改變。當電場去掉後，電介質的變形也會(hui) 隨之消失，這種現象被稱為(wei) 逆壓電效應。依據電介質壓電效應研製的一類傳(chuan) 感器稱為(wei) 壓電傳(chuan) 感器，像我們(men) 生活中常見的一次性塑料打火機，就有相當一部分是根據壓電效應製作的壓電陶瓷器件來進行打火的。 

　　在提出壓電效應這個(ge) 想法後，王中林科研團隊立刻投身其中，進行鑽研，結果在2008年做實驗的時候，偶然得到了比想象中高得多的電能輸出，當時有人猜測可能是人為(wei) 因素或者是實驗差錯，也就沒有太注意。直到2011年，他們(men) 在實驗中再次發現這個(ge) 現象，不禁引發了科研團隊的好奇心，他們(men) 好奇的是為(wei) 什麽(me) 這些樣品偶爾輸出的電壓會(hui) 是平時做實驗的3到5倍？對於(yu) 科研人員來說，既然碰見了這樣的特殊效應，那麽(me) 就要把事情研究清楚。於(yu) 是他們(men) 便開始進行仔細研究、分析這些樣品，經過幾個(ge) 月的分析發現，這些電能竟然是由常見的摩擦效應產(chan) 生的。 

　　更令人沒有想到的是，這個(ge) 偶然發現的現象非常地重要，引發了全世界研究的浪潮。也就是從(cong) 那時起，他們(men) 就一直進行著摩擦納米發電技術的研究，並隻用了一年半左右的時間，就使實驗樣品的輸出功率提高了五個(ge) 數量級，而且使用的材料是完全透明的。 

　　不過，科研團隊完成到這一步，隻是證明了這個(ge) 理念是可行的。接下來他們(men) 還需要計算輸出電能的效率，簡單來說，就是計算有多少摩擦能量可以轉化為(wei) 電能。最終，通過實驗他們(men) 發現獲得的機械能轉化效率是55%，總轉化功率更是達到了85%，這可以說是非常驚人的。 

　　其實，摩擦發電機主要利用了摩擦起電和靜電感應這兩(liang) 個(ge) 原理。 

　　摩擦起電的實質是電子的轉移，任何兩(liang) 個(ge) 物體(ti) 摩擦時,電子由一個(ge) 物體(ti) 轉移到另一個(ge) 物體(ti) ,得到電子的物體(ti) 帶負電，失去電子的物體(ti) 帶正電；而靜電感應則是在外電場作用下，使導體(ti) 中的電荷重新分布的現象。簡單來說，就是帶電物體(ti) 與(yu) 不帶電導體(ti) 相互靠近時，由於(yu) 電荷間的相互作用，會(hui) 使導體(ti) 內(nei) 部的電荷重新分布，異種電荷被吸引到帶電體(ti) 附近，而同種電荷被排斥到遠離帶電體(ti) 的導體(ti) 另一端。 

　　由於(yu) 摩擦起電的電壓高，電流小，而功率的計算公式是用電壓乘以電流，所以如果有電壓、沒電流的話，就不會(hui) 有功率出現，也就是說，不管哪一個(ge) 為(wei) 零，結果都是零。所以摩擦發電機的關(guan) 鍵就在於(yu) ，想要提高功率，就要提高電流輸出。 

　　對於(yu) 這一情況，他們(men) 首先做出了接觸分離式的摩擦納米發電機。這個(ge) 發電機的設計理念並不是很複雜，隻需要給兩(liang) 種材料接上外電路，再拉開、合上這兩(liang) 種材料就行了。當兩(liang) 種材料相互接觸時，電子就會(hui) 轉移，這是摩擦起電；如果把兩(liang) 種材料拉開一個(ge) 小距離，材料兩(liang) 端的電極層就會(hui) 產(chan) 生電位差，這是靜電感應，為(wei) 了屏蔽這個(ge) 電位差，電子需要從(cong) 外電路流動，進而產(chan) 生電流。因此，通過兩(liang) 種材料不斷地拉開再合上，合上再拉開，就可以產(chan) 生交變電流信號了。 

　　根據這一原理，王中林研究團隊做出了四種模式的摩擦發電機，它們(men) 分別是接觸分離式、滑動式、單電極式、自由浮動式，可以用於(yu) 收集拍擊、震動、滑動、浮動等各種形式的微小機械能。摩擦起電和靜電感應效應的相互結合，讓摩擦發電機成為(wei) 了可能，而納米技術的加入，更像是畫龍點睛一樣，讓電流真正實現了有效輸出。 

　　自從(cong) 摩擦納米發電機出現以來，全世界的學者從(cong) 各個(ge) 方麵對它進行了廣泛的研究。通常情況下，摩擦納米發電機工作在大氣壓環境下，因此這裏大部分電荷密度通過空氣擊穿釋放掉了，但如果將這部分空氣擊穿的能量收集起來，不僅(jin) 可以提高摩擦納米發電機的輸出性能，而且也是對摩擦納米發電機的重新認識，對於(yu) 更好地理解和利用摩擦納米發電技術具有重要意義(yi) 。 

　　在2019年4月5號，王中林等人在《科學進展》發表了一篇論文，報道了一種以摩擦起電和介質擊穿為(wei) 基礎而研製出的新一代摩擦納米發電機，首次實現了恒流電輸出的目標。同時，這一新穎的直流摩擦納米發電機已經被證實可以直接驅動電子器件不需要外接整流橋或能量存儲(chu) 單元。研究結果不僅(jin) 有利於(yu) 推動用於(yu) 可穿戴電子和物聯網係統的自驅動係統小型化，而且為(wei) 高效收集機械能提供了新的範例。 

　　值得一提的是，摩擦納米發電機在剛研發成功之後，就有人提出，如果把摩擦納米發電機放到海洋中，是不是可以收集更多的能量呢？ 

　　要知道，海洋中的潮汐能是一種潛力巨大的新能源。海洋麵積占全球總麵積的71%，海浪的運動模式又非常多樣，像海水流動、海波起伏、海浪拍打、海浪漲落等等都會(hui) 產(chan) 生相應的摩擦。如果采用傳(chuan) 統發電方式的電磁感應發電機，會(hui) 因為(wei) 結構複雜，裝置沉重等因素，導致隻有海流可以帶動轉子發電，也就是說隻能收集海流的能量，其他海浪的運動能量就都浪費了。 

　　但是，如果使用結構簡單輕巧的摩擦納米發電機，就可以把發電單元做成乒乓球大小並漂浮在水中，這樣一來，海浪運動的能量基本上可以全部收集起來。甚至有專(zhuan) 家估測，把這些發電單元結成網放到5米深的海水裏，表麵1平方公裏的海麵就能產(chan) 生兆瓦級的電能，可以實現大規模的能源供給。 

　　像這樣的例子還有很多，生活中同樣少不了摩擦和震動，從(cong) 心髒起搏到擊打鍵盤，從(cong) 海浪起伏到交通運輸，都是摩擦納米發電機的適用範圍。過去，這些能量全部浪費了。未來，摩擦納米發電機可以替我們(men) 把它們(men) 收集起來，讓我們(men) 擁有無處不在的微能源。 

　　團結就是力量，當這些微小能源被集中起來時，摩擦發電就有望從(cong) 微小能源領域躋身到大規模應用的綠色新能源之列。 



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