空氣或水的流動，引擎、空調的噪音，人的行走、呼吸、心跳或是血液流動，都有可能產生電能？這在遙遠的未來，也許并非夢想

這并非天方夜譚：只要存在運動——不管是聲音的振動，還是血液的流動，甚至人的行走——在不久的將來，或許都能被轉化成電能。

4月6日出版的美國《科學》（Science）雜志上，美國佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）教授、中國國家納米科學中心海外主任王中林，正式向外界展示了由超聲波驅動的直流納米發(fā)電機。

超聲波發(fā)電機

實際上，早在去年4月14日，一向對新方法、新理論十分熱衷的《科學》雜志，就報道了王中林所在的小組，首次在納米（十億分之一米）尺度范圍內將機械能轉換成電能的研究成果。

作為世界上最小的發(fā)電機，王研制的納米發(fā)電機巧妙地利用了氧化鋅納米線的半導體性能和壓電效應。他們用導電的原子力顯微鏡探針針尖去彎曲豎直的氧化鋅納米線，由于壓電效應，被彎曲的納米線表面上就會產生反極性的極化電荷。由于氧化鋅本身具備半導體性質，所以，這些的電荷會被累積儲存在納米線上；然后，當探針離開后納米線就會恢復形狀，并產生電流。

據(jù)測算，這種納米發(fā)電機的發(fā)電效率可以達到17％-30％。而現(xiàn)在最好的太陽能電池的實際發(fā)電效率，也僅在20％上下。

但是，要繼續(xù)推進這項研究，一個無法回避的問題，就是如何擺脫對顯微鏡探針的依賴，即用其他方式使納米線發(fā)生彎曲，從而產生電能。比如，如果能夠通過聲波、超聲波或水壓能來實現(xiàn)這一點，就意味著可以從周圍環(huán)境中獲得電能，從而產生一個強大的動力源。

幾乎整整一年之后，王中林終于推出了改進版的納米發(fā)電機——它不需要探針的幫助，超聲波就可以完成讓納米線發(fā)生振動的“使命”：

他們讓納米線在電極板上垂直生長，與上面的電極的接觸面則被設計成鋸齒狀，并且覆蓋著金屬鉑。由于納米線極其纖細，一旦有外界環(huán)境震動，無論是超聲波，還是人的行走、潮汐的運動，甚至心臟跳動（如果被植入人體內部的話），納米線受到機械運動產生的動能傳導的影響，自身就會產生微小的共振或者說擺動、變形，從而在表面積累起電荷。

由于納米線與上面的電極之間的空隙非常小，形狀又是鋸齒形的，加上電極本身也會產生上下振動，所以，在納米線擺動過程中，很容易就會碰到上面的鉑電極，從而把電流輸送出來。

根據(jù)最新的設計，在頻率為41千赫茲的超聲波作用下，分布在2平方毫米面積的氧化鋁基片上的500根納米線的陣列，不僅可以輸出強度約一納安（nA）的連續(xù)電流，更可以將電流輸出保持一個多小時而沒有任何衰減。

王中林在接受《財經》記者采訪時表示，這一研究的突破之處，還在于通過將大量的納米線集中在鋸齒狀的電極板中間，讓納米線能夠同時、連續(xù)和獨立地吸收外界環(huán)境中的機械能，并第一次實現(xiàn)了連續(xù)性的直流輸出。這也給植入人體、遙感的納米器械和納米機器人實現(xiàn)能量自給帶來了新的曙光。

近年來，尺寸微小、功耗低、反應靈敏的納米器件和納米機器人，一直是納米學術界的前沿，因為它可以完成微觀醫(yī)療以及遙感等普通人力難以企及的使命。但對于全球眾多的研究者而言，最大的問題是，不管納米器械做到多小，仍然不得不依賴龐大的外接電源；更不用說由于常規(guī)電池多含有毒性物質，使得一些醫(yī)用納米微型設備無法植入人體了。

如果不能同步實現(xiàn)器件和電源的小型化，讓納米器械進入微觀世界，也許只能是紙上談兵?，F(xiàn)在，隨著納米發(fā)電機的出現(xiàn)，這一前景重新變得光明起來。

哈佛大學化學系教授查爾斯萊博（Charles Lieber）對《財經》記者指出，這一發(fā)明，為如何給納米器件提供電力這一關鍵問題“提出了解決方案”。

電池末日？

到目前為止，水能、風能乃至潮汐能的大規(guī)模利用都已經成為現(xiàn)實；但如何將動能直接轉化成電能，并驅動便攜設備，一直是個巨大的挑戰(zhàn)。

歷史最為悠久、應用范圍最廣的化學電池，是利用電化學反應，將化學能直接轉換成電能加以儲存，并在使用時將化學能轉變成電能。從伏打電池到現(xiàn)在，化學電池經過了十幾代更新，先后出現(xiàn)了鋅錳電池、鉛酸電池，鎳鎘、鐵鎳、銀鋅、銀鎘、鋰電池，燃料電池等不同種類。它們利用不同金屬、不同電解液的電化學反應，實現(xiàn)電能和化學能之間的轉化。

“化學電池經過200多年的發(fā)展已經比較成熟，性能提高了很多。加上體積小、攜帶方便，通過化學的方式儲存電能還是最常用的方式。”中國電池工業(yè)協(xié)會秘書長王敬忠對《財經》記者說。

不過，對于大多數(shù)化學電池來說，生產和回收過程中所造成的重金屬污染，一直是無法克服的難題。

除了化學電池，物理電池包括了利用光伏效應將太陽光能直接轉換成電能的太陽電池、利用塞貝克效應將熱能直接轉換成電能的溫差電池，以及將原子核放射能直接轉換為電能的核電池等。但至少就目前而言，對于物理電池來說，效率和成本還是兩大瓶頸。

采用對人體無害且價格相對低廉的氧化鋅作為材料的納米發(fā)電機，顯然開啟了一個全新的“窗戶”。

在王中林看來，空氣或水的流動、引擎的轉動、空調或其他機器的運轉等引起的各種頻率的噪音、人行走時肌肉伸縮或腳對地的壓縮，甚至在人體內由于呼吸、心跳或血液流動帶來的體內某處壓力的細微變化，將來都有可能帶動納米發(fā)電機產生電能。

有數(shù)據(jù)顯示，血液流動產生的能量約為0.93瓦，呼吸也能產生0.83瓦的能量，人行走可以產生67瓦的能量。而且，相對于壽命有限的電池，納米發(fā)電機可以工作很長的時間，甚至可以保證人體中的微觀器械一生中的能量供應而無需更換。

“納米線相對于薄膜電源的主要優(yōu)勢，就是它的耐久能力特別強，幾乎不會有疲勞效應。所以，這樣的納米發(fā)電機可以用很長很長時間?！蓖踔辛盅a充說。

不過，現(xiàn)在就對傳統(tǒng)電池說“再見”，顯然還遠不是時候。

中國化學與物理電源協(xié)會秘書長劉彥龍對《財經》記者表示，現(xiàn)在電池界也不斷從材料上對電池進行改進，盡量向無毒、環(huán)保的方向努力，新產品也在不斷出現(xiàn)。對于新興的納米發(fā)電機來說，在很多情況下，可能還需要傳統(tǒng)電池的配合，才能保證電源在不同環(huán)境條件下的持續(xù)工作。

萊博教授也指出，同任何研究一樣，公眾對納米發(fā)電機馬上就能實際應用的期待“不要過高”。因為從實驗室階段到完成工程化乃至真正走入市場，都需要時間，而這個時間表顯然也“不容易預測”。

爭奪未來

根據(jù)王中林的預測，使用納米發(fā)電驅動的微觀器械有望在三年內問世，并在五至八年的時間內得到大規(guī)模的應用。

“現(xiàn)在小組里的八個學生都放下了手里的其他工作，全力做這個事（納米發(fā)電機）?！敝袊鴩壹{米中心的博士生武祥對《財經》記者透露。

目前，納米發(fā)電機一次放電過程中，在電阻上的輸出電壓約為8微伏；一個10微米×10微米大小的納米線陣列所產生的功率，足可以驅動基于單根納米線、納米帶以及納米管的裝置。串聯(lián)1000根這樣的納米線，即可輸出8伏的電壓，這已經相當于普通干電池的供電能力。

但實際情況卻要復雜得多。

王中林對《財經》記者表示，從理論上說的確如此，但串連這么多的納米線，實際上是不現(xiàn)實的。比如，最困難的問題，就是如何讓氧化鋅納米線生長得長度一致；如果共同振動的納米線不能同時接觸極板的話，就無法同時輸出電能。

除了進一步改良納米線的生長方式，讓它們在粗細和長度上接近一致，并且在極板上均勻分布，以便讓盡量多的納米線可以同時產生電能，下一步是希望通過進一步改進技術，使得僅用少量的納米線，就可以達到0.5伏到1伏的輸出水平，“我相信在一年的時間內，就可以達到這個目標”。王說。

此外，要實現(xiàn)工程化目標，還需要進一步提高納米發(fā)電機的封裝水平，以便提高能量轉換效率；更為宏大的目標，則是在諸如人體運動、機械振動和聲波等低頻振動的情況下，提高能量轉化的效率。因為目前氧化鋅納米線的典型共振頻率約為10兆赫茲，對高頻振動更加敏感，其輸出電能的效率也相對更高。而如何實現(xiàn)其對人體、水流這樣的低頻振動的響應，是一個必須解決的問題。

在這樣的前沿領域，競爭自然也難以避免，一水之隔的臺灣大學奈米科技研究中心的陳永芳教授，就是可能的挑戰(zhàn)者之一。雖然參考了王的發(fā)明，一年前，他卻選擇了性質與氧化鋅頗為相似的氮化鎵，進行自己的納米發(fā)電機實驗。

氧化鋅的成本比較低，但氮化鎵工業(yè)上的用途更廣，技術上比較成熟，在以電子代工為主業(yè)的臺灣很容易獲得。在接受《財經》記者采訪時，陳表示，現(xiàn)在還有很多工作要做，“很多困難要克服”。

王中林承認，氮化鎵在半導體和壓電效應上與氧化鋅很相似，但他強調，氮化鎵納米線在生長上的難度比較大，它需要在特別復雜和昂貴的環(huán)境。而且，氮化鎵還對環(huán)境產生污染，“我相信氧化鋅還是最好的?！?/p>

當然，我們也許應該拋開煩瑣的技術細節(jié)，在科學允許的范圍內，暢想一下納米電源可能帶來的未來——

除了完全無線、可生物植入、長時期甚至終生無需照管的納米或微電子器件，將來的士兵在軍鞋中安裝這種納米發(fā)電機，通過行走就能為隨身攜帶的微型設備供電，而不必在戰(zhàn)場上背負沉甸甸的電池。

如果愿意，當然不僅是士兵，每個人的衣服上、鞋子里等，都可以放置這樣的電源，為身上攜帶的便攜電子設備（包括MP3、手機等）提供能量。屆時惟一的問題，可能就是需要不斷運動來給它充電。