让心跳为心脏起搏器“自供电” !青大研发的这种纳米发电机,很“科幻”

青岛日报社/观海新闻11月10日讯 无需电池,当人在走动,甚至是心跳、呼吸的时候就可以不断为小型电子器件充电、供电,这听起来是不是有些“科幻”?日前,青岛大学物理科学学院龙云泽教授团队与中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作,研发设计了一种新型直流摩擦纳米发电机,成功实现了直流电的稳定、高效输出,将来有望为可植入医疗器械、可穿戴电子设备等小型电子器件提供持续的“自驱动”能源。

顾名思义,纳米发电机是在纳米尺度内将机械能转化成电能,可谓世界上最小的发电机。而摩擦起电,是日常生活中十分常见的物理现象,但是许多摩擦产生的电能往往被忽视与浪费掉了。如何将摩擦产生的电能收集起来,就是摩擦纳米发电机所研究的主要内容。龙云泽告诉观海新闻记者,摩擦纳米发电机可将环境中的机械能(摩擦)转化成电能,从而取代电池,为自驱动电子器件提供持续能源,是一种理想的“绿色能源”。但是传统的摩擦纳米发电机产生的是交流电,需要额外利用一个整流器来获得直流电才能驱动电子设备,这极大地限制了能源系统的便携性、微型化和能源效率,也限制了纳米发电机的实际应用。

直流摩擦纳米发电机输出性能测试。

为了破解这个难题,龙云泽团队首创性地设计选择具有不同电子获取能力的三种材料(例如铜、木头和铝)作为纳米发电机电极,就如同从高到低的三级台阶一样,实现了电子的单向流动,成功输出了稳定、高效的直流电。“日常生活中的摩擦是一种往复循环的周期性运动,是一种‘来回’的运动。参与摩擦的物体一般只有两种,所以结果必定是一种物体带正电而另一种物体带负电,而电荷只会在这两种物体间来回运动。根据这种模式设计的摩擦纳米发电机产生的都是交流电,无法直接为小型电子设备供电。”团队博士研究生宋威志介绍说,“在我们的这项研究中,摩擦材料增加到三种,构成了电荷单向流动通道,实现了直流输出,解决了传统摩擦纳米发电机无法解决的问题,并且在实验中成功点亮了小型电子设备,为纳米发电机走向实际应用铺平了道路。”

直流摩擦纳米发电机驱动小型湿度表工作。

随着物联网传感器以及电子科技的不断发展,各种微型传感器、可植入医疗设备和可穿戴电子设备呈爆发式增长,随之而来的就是巨大的供电问题。龙云泽说,比如心脏起搏器目前还是靠电池来驱动,但电池寿命有限,更换电池需要给患者再次做手术,成本高、风险大;理论上讲,直流摩擦纳米发电机可以把心脏跳动这种人体活动的机械能转变为电能,因为心跳可以促使发电机的电极不断摩擦、分开,从而产生电流,并进一步被收集储存起来,驱动心脏起搏器工作。当然,真正实现这种应用还需要物理学、工程学、医学等专业的通力合作。不过,类似的应用已经存在,比如在口罩上安装摩擦纳米发电机,把人的呼吸的机械能转化成电能,使口罩过滤层带有小电荷,能够吸附雾霾等微小颗粒,从而提高过滤效果。(青岛日报/观海新闻记者 王沐源)

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