中國儲能網(wǎng)訊：首先要說明一個事，王中林跟王中磊和王中軍沒有關(guān)系。雖然王中林比華誼兄弟兩個人加在一塊兒還要帥，但華誼兄弟的名氣比王中林大的多，而王中林所做的事情，卻比華誼兄弟有意思也有意義的多。
當(dāng)然要不了多久，王中林可能就要比王中磊和王中軍加在一塊兒都有名了，如果他能夠獲得諾貝爾獎的話。起碼現(xiàn)在，湯森路透已經(jīng)把他評為了今年諾貝爾物理獎的大熱門。
9月24日，湯森路透集團（THOMSON REUTERS）在美國費城發(fā)布了2015年度引文桂冠獎（Citation Laureates）獲獎名單。中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學(xué)家，佐治亞理工學(xué)院終身校董事講席教授王中林院士成為物理學(xué)領(lǐng)域獲獎人之一。
眾所周知，湯森路透的引文桂冠獎一直被看作是諾貝爾獎的風(fēng)向標(biāo)，這一獎項的獲得者，往往就是諾貝爾獎的大熱門，當(dāng)然這是從數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果，并為考慮諾貝爾獎委員會各位委員們個人的喜好因素。
根據(jù)湯森路透的表述，王中林院士此次獲獎，是由于其在一維氧化物納米結(jié)構(gòu)，尤其是氧化鋅（ZnO）納米帶和納米線的制備、表征和基本物理性能理解等方面做出的原創(chuàng)性重大貢獻，開創(chuàng)了ZnO納米材料在能源、電子、光電子以及生物等領(lǐng)域的全新應(yīng)用，由此奠定了其在ZnO納米材料領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊地位。
他不僅發(fā)明了納米發(fā)電機，研制出世界上首個自供電納米系統(tǒng)，構(gòu)建了一種全新的、完全由環(huán)境能源支持的微納電子器件工作模式，并提出了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)發(fā)展路線圖。
自供電納米系統(tǒng)的發(fā)明，解決了制約物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的微電源問題，目前已經(jīng)發(fā)展為一個全新的研究領(lǐng)域。他還首次提出了壓電（光）電子學(xué)效應(yīng)，對納米機器人、人-機界面、納米傳感器、醫(yī)學(xué)診斷及光伏技術(shù)的發(fā)展具有里程碑意義。
可以說是物聯(lián)網(wǎng)的大趨勢，讓王中林發(fā)明的納米電池有了用武之地，也讓湯森路透把他評為諾貝爾獎的熱門候選人。因為根據(jù)諾貝爾獎評選的傳統(tǒng)，一種新的理論要得到證實，一種新的技術(shù)要得到應(yīng)用，才會給這種成果頒獎。
在技術(shù)領(lǐng)域，從過去幾年的獲獎成果就看的出來。巨磁阻的發(fā)明就因為硬盤的普及而獲獎，CCD的發(fā)明就因為數(shù)碼相機的普及而獲獎，藍(lán)光LED則因為改變了世界的照明方式而獲獎。
那么納米發(fā)電機是什么東西，是如何發(fā)揮作用。我們在2007年就曾經(jīng)寫過一篇文章介紹他的發(fā)明。當(dāng)時我給他在佐治亞理工的郵箱發(fā)郵件，很快就收到了詳細(xì)的回復(fù)，因為有些術(shù)語看不懂，后來又follow-up了一堆問題，他對此也是不厭其煩。
對于當(dāng)時他的發(fā)明，我們還請納米技術(shù)的開創(chuàng)者，哈佛大學(xué)化學(xué)系教授Charles M. Lieber作個評價，當(dāng)時他就說，王教授的工作可以被看作是他真正的“tour de force（代表作）”，這是對一個人非常高的評價。Lieber說，王教授已經(jīng)是利用納米器械進行動能-電能轉(zhuǎn)化的先行者，由于他最新的發(fā)明實現(xiàn)了直流和持續(xù)的輸出而顯得非常重要。
下面就是當(dāng)時的那篇文章。還有一個有意思的細(xì)節(jié)，當(dāng)時我們曾經(jīng)寫《誰的魯能》的李其諺去發(fā)改委采訪，送給采訪對象這本雜志，看到這篇文章，采訪對象就對下屬說，這樣的技術(shù)，你們怎么就沒看到？
顛覆電池
空氣或水的流動，引擎、空調(diào)的噪音，人的行走、呼吸、心跳或是血液流動，都有可能產(chǎn)生電能？——這在遙遠(yuǎn)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(zhuǎn)化成電能。
2007年4月6日出版的美國《科學(xué)》（Science）雜志上，美國佐治亞理工學(xué)院教授、中國國家納米科學(xué)中心海外主任王中林，正式向外界展示了由超聲波驅(qū)動的直流納米發(fā)電機。
實際上，早在2006年4月11日，一向?qū)π路椒?、新理論十分熱衷的《科學(xué)》雜志，就報道了王所在的小組，首次在納米（十億分之一米）尺度范圍內(nèi)，將機械能轉(zhuǎn)換成電能的研究成果。
作為世界上最小的發(fā)電機，其研制的納米發(fā)電機巧妙地利用了氧化鋅納米線的半導(dǎo)體性能和壓電效應(yīng)：
他們用導(dǎo)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(yīng)，被彎曲的納米線表面上就會產(chǎn)生反極性的極化電荷；而由于氧化鋅本身具備半導(dǎo)體性質(zhì)，所以這些的電荷會被累積儲存在納米線上。然后，再用導(dǎo)電的探針作為電極來這些接觸納米線，這套裝置就可以向外輸出電能。
據(jù)測算，這種納米發(fā)電機的發(fā)電效率可以達(dá)到17%-30%。要知道，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。
然而，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，即用其他方式讓納米線發(fā)生彎曲，從而產(chǎn)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(chǎn)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，而與上面的電極的接觸面則被設(shè)計成了鋸齒狀，并且覆蓋著金屬鉑。由于納米線極其纖細(xì)，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(nèi)部的話），納米線受到機械運動產(chǎn)生的動能傳導(dǎo)的影響，自身就會產(chǎn)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(chǎn)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(shè)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。
他在接受本刊記者采訪時表示，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(yīng)靈敏的納米器件和納米機器人，一直是納米學(xué)術(shù)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(zhì)，使得一些醫(yī)用納米微型設(shè)備無法植入人體。
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(xué)化學(xué)系教授查爾斯·萊博（Charles Lieber）指出，這一發(fā)明，為如何給納米器件提供電力這一關(guān)鍵問題，“提出了解決方案”。
電池末日？
雖然到目前為止，水能、風(fēng)能乃至潮汐能的大規(guī)模利用都已經(jīng)成為現(xiàn)實，但如何將動能直接轉(zhuǎn)化成電能，并驅(qū)動便攜設(shè)備，卻一直是個巨大的挑戰(zhàn)。
歷史最為悠久、應(yīng)用范圍最廣的化學(xué)電池，是利用電化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能加以儲存，并在使用時將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能。從伏打電池到現(xiàn)在，化學(xué)電池經(jīng)過了十幾代的更新，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(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)電能和化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)化。
“化學(xué)電池經(jīng)過200多年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，性能提高了很多。加上其體積小、攜帶方便，通過化學(xué)的方式儲存電能還是最常用的方式?！敝袊姵毓I(yè)協(xié)會秘書長王敬忠說。
不過，對于大多數(shù)化學(xué)電池來說，生產(chǎn)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(xué)電池，物理電池包括了利用光電效應(yīng)將太陽光能直接轉(zhuǎn)換成電能的太陽能電池、利用塞貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的溫差電池，以及將原子核放射能直接轉(zhuǎn)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，顯然是開啟了一個全新的“窗戶”。
在王中林看來，空氣或水的流動、引擎的轉(zhuǎn)動、空調(diào)或其他機器的運轉(zhuǎn)等引起的各種頻率的噪音、人行走時肌肉伸縮能或腳對地的壓縮，甚至在人體內(nèi)由于呼吸、心跳或是血液流動帶來的體內(nèi)某處壓力的細(xì)微變化，將來都有可能帶動納米發(fā)電機產(chǎn)生電能。
有數(shù)據(jù)顯示，血液流動產(chǎn)生的能量約為0.93瓦，呼吸也能產(chǎn)生0.83瓦的能量，人行走可以產(chǎn)生67瓦的能量。
而且，相對壽命有限的電池來說，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(yīng)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高，幾乎不會有疲勞效應(yīng)，所以這樣的納米發(fā)電機可以用很長很長時間。”他補充說。
不過，現(xiàn)在就對傳統(tǒng)電池說“再見”，顯然還遠(yuǎn)不是時候。中國化學(xué)與物理電源協(xié)會秘書長劉彥龍表示，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(chǎn)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，和任何研究一樣，公眾對納米發(fā)電機馬上就能實際應(yīng)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(yù)測”。
爭奪未來
根據(jù)王中林的預(yù)測，使用納米發(fā)電驅(qū)動的微觀器械有望在三年內(nèi)問世，并在五至八年的時間內(nèi)得到大規(guī)模的應(yīng)用。
“現(xiàn)在小組里的八個學(xué)生都放下了手里的其他工作，全力做這個事（納米發(fā)電機）。”中國國家納米中心的博士生武祥透露。
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(chǎn)生的功率足可以驅(qū)動基于單根納米線、納米帶以及納米管的裝置。
從理論上說，串聯(lián)1000根這樣的納米線即可輸出8伏的電壓，這已經(jīng)相當(dāng)于普通干電池的供電能力。但實際情況，卻要復(fù)雜得多。
王中林表示，從理論上說的確如此，但是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，就無法同時將輸出電能。
除了進一步改良納米線的生長方式，讓它們在粗細(xì)和長度上接近一致，并且讓它們極板上均勻分布，以便讓盡量多的納米線可以同時產(chǎn)生電能，他表示，下一步是希望通過進一步改進技術(shù)，使得僅用少量的納米線就可以達(dá)到0.5伏到1伏的輸出水平，“我相信在1年的時間內(nèi)，就可以達(dá)到這個目標(biāo)”。
此外，要實現(xiàn)工程化目標(biāo)，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(zhuǎn)換效率。而更為宏大的目標(biāo)，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(zhuǎn)化的效率。因為目前氧化鋅納米線的典型共振頻率約為兆赫茲，對高頻振動更加敏感，其輸出電能的效率也相對更高，而如何提供其對人體、水流這樣的低頻振動的響應(yīng)，是一個必須解決的問題。
在這樣的前沿領(lǐng)域，競爭自然也難以避免，一水之隔的臺灣大學(xué)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。與王中林有所不同的是，一年前他選擇了性質(zhì)和氧化鋅頗為相似的氮化鎵來進行自己的納米發(fā)電機實驗。
雖然氧化鋅的成本比較低，但氮化鎵工業(yè)上的用途更廣，技術(shù)上比較成熟，在以電子代工為主業(yè)的臺灣很容易獲得。在接受本刊采訪時，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(rèn)，氮化鎵在半導(dǎo)體和壓電效應(yīng)上與氧化鋅很相似，但他強調(diào)，氮化鎵納米線在生長上的難度比較大，它需要在特別復(fù)雜和昂貴的環(huán)境。而且，氮化鎵還對環(huán)境產(chǎn)生污染，“我相信氧化鋅還是最好的?！?
當(dāng)然，我們也許應(yīng)該拋開煩瑣的技術(shù)細(xì)節(jié)，在科學(xué)允許的范圍內(nèi)，隨便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之外，將來的士兵可以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(shè)備供電，而不必在戰(zhàn)場上背負(fù)沉甸甸的電池。
如果愿意，當(dāng)然不僅僅是士兵，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(shè)備（包括MP3、手機等）提供能量。屆時唯一的問題，可能就是需要不斷運動來給它充電。
當(dāng)時這篇文章中的很多預(yù)測，現(xiàn)在都已經(jīng)或者正在成為現(xiàn)實。這也是王中林這次成為諾獎熱門的原因之一。當(dāng)然我們也有幸，成為歷史的創(chuàng)造過程的見證者，這也是我們從事這項工作最大的樂趣。
