纳米发电机的工作原理

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纳米发电机看起来像微型电路板,只需简单地挤压就能产生电流。查看更多电子零件图片。

自从托马斯·爱迪生发明了电灯泡,科学家们就一直在寻找更好的发电方式。这种探索导致了两个关键技术领域的重大发展:能源和电子。乐动-软件对更好的电源的探索导致了大规模的可充电电力公用事业服务电池乐动体育网站5.0以及利用我们周围的可再生能源的设备,如风力涡轮机和太阳能电池板。在电子产品领域,开发人员一直在寻求更便宜、功能更强大、能耗更低的设备。乐动-软件

如果我们可以用我们活着产生的能量来发电呢?想象一下,如果你只需要随着音乐的节拍敲击手指,或者穿着一件带有微型嵌入式电路板的卫衣,就可以为你的iPod充电。虽然这听起来像是科幻小说,但纳米发电机正在将这种能源变成现实。

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纳米发电机是研究人员用来描述一种小型电子芯片的术语,这种芯片可以利用身体的机械动作,例如轻轻捏一下手指,来发电[来源:ACS].该芯片有一个集成电路蚀刻在一个灵活的表面,类似于你的电路板上的组件电脑.正如“纳米”这个前缀所暗示的那样,这些发电机是一种纳米技术,或者说是一种小到用纳米(十亿分之一米)来测量的技术。乐动-软件所以,即使是目前存在的最复杂和最强大的纳米发电机也小到可以放在两个手指之间。

纳米发电机内部的关键部件是纳米线或类似的结构压电陶瓷材料。压电材料只要受到弯曲或施加压力就能产生电流。如在纳米线的工作原理在美国,数百根纳米线可以并排排列在一个不到头发丝宽度的空间里。在这样的规模下,结合纳米发乐动体育网站5.0电机组件的灵活性,即使最轻微的运动也能产生电流。

除了体积小、反应灵敏之外,纳米发电机的功能也越来越强大。2011年3月,研究人员测量了5个纳米发电机叠加在一起的输出。这个微小的堆栈产生大约1微安的电流,产生3伏的能量,大约相当于两节AA电池的能量[来源:乐动体育网站5.0ACS].

想近距离了解纳米发电机技术,以及纳米发电机的实际应用将如何影响我们的生活?乐动-软件让我们从纳米发电机背后的一些研究开始。

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纳米发电机背后的发展

在过去的十年里,佐治亚理工学院的王志良和他的同事们在纳米发电机的开发上取得了重大乐动-软件的飞跃。"width=
王志良和他的同事在佐治亚理工学院乐动-软件在过去的十年里在纳米发电机的研发上取得了巨大的飞跃。
钟琳(z.l)王/佐治亚理工学院乐动-软件

在《黑客帝国》中,以计算机为基础的生命形式奴役了地球上的人类,并将他们的身体作为能量来源。人类充当了计算机的有限生命电池(这种电池可以充电,但不是无限期的),类似于我们在电视遥控器中使用AA电池的方式。虽然“黑客帝国”是虚构的,但研究人员开发纳米发电机,发现了利用人体能量为电子设备供电的现实。

钟林博士(z.l)佐治亚理工学院(Georgia Tech)的王是纳米发电领域的领先乐动-软件研究员[来源:纳米].十多年来,王和他的团队一直致力于生产令人难以置信的小型产品电路可以产生电流。佐治亚理乐动-软件工学院团队开发的纳米技术项目是如此之小,以至于研究人员必须使用显微镜才能看到他们正在研究的东西,以及可以创造和操作微观电子元件并测量其输出的仪器[来源:伊利诺斯州文德兰花].

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王博士的团队完全在实验室中开发了纳米发电机。王和他的同事们首先制造他们需要的材料,然后制造、分析、测量和包装每个纳米发电机原型。乐动体育网站5.0这个开创性的研究小组成功地为发光二极管供电[领导]乐动体育网站5.0、激光二极管及液晶显示器[液晶显示器]仅使用纳米发电[来源:Georgia乐动-软件Tech].

在纳米发电机的探索过程中,不同的研究小组对不同的压电材料进行了实验。普林斯顿大学的Michael McAlpine和宾夕法尼亚大学的Prashant Purohit一直在使用锆钛酸铅(PZT)。虽然PZT非常脆,但mccapline和Purohit发现了如何塑造材料,使其可以拉伸到10%而不断裂[来源:伯杰].1999年,王成为第一个使用氧化锌(ZnO)作为纳米发电机压电材料的研究人员[来源:Georgia乐动-软件Tech].在2009年的一篇文章中,王的团队将ZnO的使用归功于他们在改进纳米发电机方面的持续成功[来源:Lu等。].

我们知道压电材料是纳米发电机的关键部件。现在,让我们仔细看看它是如何发电的。

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纳米发电机内部发生了什么

这是用于生长氧化锌纳米线的一个过程的微观观察。纳米线在中间,从左边的铬电极向右边的金电极生长。"width=
这是用于生长氧化锌纳米线的一个过程的微观观察。纳米线在中间,从左边的铬电极向右边的金电极生长。

纳米发电机由一个集成电路它的组件由硅树脂和压电陶瓷制成,蚀刻在被称为基板的柔性表面上。虽然基板的强度和其他特性在纳米发电机的工程设计中很重要,但神奇的是电路。在表面上,用肉眼,我们可以看到一系列的线条和盒子,它们看起来像一个平面的二维图像。然而,从显微镜乐动体育网站5.0下观察柔性芯片的外层,可以看到完全不同的三维图像。

电是在压电材料中产生的。如前所述,Wang的团队使用了ZnO进行开发纳米线.每根纳米线的直径在100到300纳米之间(线的宽度)。每根纳米线的长度约为100微米;1微米= 10万纳米。从这个角度来看,请注意电线的长度(而不是宽度)大约与两根人类头发的宽度相同。

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在他们的纳米发电机中,王的团队将一组纳米线连接到基板上,并在电线的另一端放置一个硅电极。电极表面呈锯齿形。当对纳米发电机施加小的物理压力时,每根纳米线都会弯曲并产生电荷。电极捕获电荷并携带它通过纳米发电机电路的其余部分。整个纳米发电机可能有几个电极,从数百万根纳米线中获取电力[来源:greeneier,科学日报].

在他们自己的研究小组中,McAlpine和Purohit采取了一种不同的方法来制造纳米发电机,使用PZT来制造nanoribbons.每个纳米带大约10微米宽,250到500纳米厚。他们首先在氧化镁表面形成纳米带,然后用磷酸将其去除。然后,他们将纳米带固定在预拉伸的硅橡胶表面上,当放松时,纳米带就会弯曲而不会断裂。当纳米带弯曲时,它们的运动产生电能不需要将它们从表面分离[来源:伯杰].

在用压电材料形成柔性电线的基本前提下,研究人员研究了从每个发电机获得更多电力的方法。例如,王的实验室在每个后续设计中都改进了纳米线和电路。王说,在过去的十年里,他看到产量比刚开始时提高了10亿多倍。

到目前为止,你已经看到了纳米发电机的内部工作原理。现在,让我们来看看在未来几年内你可能会在哪里发现纳米发电机的工作。

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纳米发电机的实际应用:医学和超越

嵌入连帽衫或t恤等衣物中的纳米发电机可能会给“摇滚的心脏”这句话带来新的含义。"width=
嵌入帽衫或t恤等衣物中的纳米发电机可能会为“摇滚之心”这句话带来新的含义。
iStockphoto /思想库

医生需要可靠的技术来为植入患者体内的设备供电,以乐动-软件调节或监测患者的健康。此类设备的例子是心脏起搏器和连续葡萄糖监测系统。植入设备有一个固有的挑战:随着时间的推移,它们可能会磨损,或者需要更换电池或者一个笨重的外部电源。

通过使用纳米发电机,医生可以植入新一代的这些设备,这些设备能够保持供电,并在最小的身体侵犯下持续很长时间[来源:Medgadget].这种设备可以利用无意识运动的能量,比如心跳或肺扩张。简而言之,你可以用你的身体来维持一个设备,这个设备可以帮助你保持生命。此外,通过使用像ZnO这样的无毒材料作为压电材料,在不伤害身体的情况下植入纳米发电机的机会更大[来源:Greenemeier]。

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那么纳米发电机在医学之外还有什么用途呢?研究人员相信纳米发电机很快就能为你的iPod智能手机.由于纳米发电机非常小,它们可以很容易地嵌入t恤或卫衣的布料中,这样你的iPod就可以利用你的脉冲来为内部电池充电。Wang希望他的团队开发的纳米发电机能成为这种产品的一部分,并在五年内上市[来源:].

使用纳米发电机的一个附带好处是它们对环境的潜在积极影响。纳米发电机使用一种可再生资源:身体运动产生的动能。它们是由比电池更环保的材料制成的,并且有可能减少与电池生产和处理相关的浪费。乐动体育网站5.0不过,由于纳米发电机的尺寸和有限的功率,影响很小。时间会告诉我们纳米发电机是否能够为诸如笔记本电脑这样的大型设备提供动力。

纳米发电机可能不会取代电池,至少在不久的将来不会。乐动体育网站5.0对于你不经常接触的设备,比如闹钟,你仍然需要电池备份。你还想确保一些设备即使在你不使用或触摸它们的时候也能继续空闲运行,比如智能手机。也许在未来,制造商会将纳米发电机与某种类型的可充电电池系统配对,以创造一种可靠的电源,减少对环境的影响。

现在你已经了解了关于纳米发电机的事实,请转到下一页了解更多有用的信息。

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更多优质链接

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  • 博伊尔,丽贝卡。“可拉伸的纳米发电机可以利用肺运动为医疗植入物提供动力。”受欢迎的科学。2011年2月18日。(2011年4月24日)http://www.popsci.com/tech乐动-软件nology/article/2011-02/stretchable-nanogenerators-could-expand-and-contract-your-every-breath-using-lungs-power-medical-impl
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  • 《科学日报》。“用于自供电设备的纳米发电机将机械能转化为电能。”科学日报有限责任公司2006年4月16日。(2011年4月24日)http://www.sciencedaily.com/releases/2006/04/060414011916.htm
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