王中林教授是如何工作的

由:斯蒂芬妮·克劳福德

纳米发电机看起来像很小的电路板,可以通过简单的挤压产生电流。查看更多电子零件图片。

自从托马斯·爱迪生发明了电灯泡在美国,科学家们一直在寻找更好的方法来为它供电。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-软件对更好的能源的探索导致了大规模的可充电的电力服务电池乐动体育网站5.0以及利用我们周围世界的可再生能源的设备,如风力涡轮机和太阳能电池板。在电子领域,开发人员一直在寻求比他们的前辈技术更便宜、更强大、消耗更少能源的设备。乐动-软件

如果我们能通过活着产生的能量来发电会怎么样?想象一下,如果你只需要跟着音乐的节拍敲击手指就能给iPod充电,或者穿着一件带有微型电路板的连帽衫就能感知你的脉搏。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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王中林教授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,比如轻轻一捏手指,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上,类似于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,或者是一种用纳米(一米的十亿分之一)来衡量其大小的技术。乐动-软件因此,即使是当今最复杂、最强大的纳米发电机,也小到可以用两根手指夹住。

纳米发电机的关键部件是纳米线或类似的结构压电陶瓷材料。压电材料只要弯曲或受力就能产生电流。中描述的纳米线是如何工作的在美国,数百根纳米线可以并排排列在一个不到一根头发宽度的空间里。在这种规模下,再加上纳米发乐动体育网站5.0电机各部件的灵活性,即使是最轻微的移动也能产生电流。

除了非常小和灵敏之外,纳米发电机的功率也越来越大。2011年3月,研究人员测量了五个堆叠在一起的纳米发电机的输出。这个微小的电池组产生的电流约为1微安,产生3伏的能量,大约相当于2节AA电池[来源:乐动体育网站5.0ACS].

想更深入地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吗?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

佐治亚理工学院的王振林和他的同事们在过去十年里在开发纳米发电机方面取得了重大进展乐动-软件。"width=
王振林和他的同事们佐治亚理工学院乐动-软件在过去的十年里,纳米发电机的发展取得了重大飞跃。
中林(中林)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,并把人类的身体作为能量来源。人类是计算机的有限生命电池(这种电池可以充电,但不能无限充电),就像我们用AA电池来控制电视遥控器一样。虽然《黑客帝国》是虚构的,但开发纳米发电机的研究人员发现,利用人体能量为电子设备供电是现实。

钟琳博士(中林)佐治亚理工学院(Georgia Institute of Tech乐动-软件nology, Georgia Tech)的王教授是纳米发电领域的领军人物[来源:纳米].十多年来,王和他的团队一直致力于生产非常小的产品电路可以产生电流。像佐治亚乐动-软件理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来观察他们的工作,以及能够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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王博士的团队完全是在实验室里开发纳米发电机的。Wang和他的同事们从制造他们需要的材料开始,然后制造、分析、测量和封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已经成功地为一个发光二极管供电[领导]乐动体育网站5.0、镭射二极管及液晶显示器[液晶显示器]完全使用纳米发电[来源:Georgia乐动-软件Tech].

在纳米发电机的探索过程中,不同的小组已经尝试了不同的压电材料。普林斯顿大学的研究人员Michael McAlpine和宾夕法尼亚大学的Prashant Purohit一直在使用锆钛酸铅(PZT)。尽管PZT非常脆,McApline和Purohit发现了如何塑造这种材料,使其可以拉伸到10%而不断裂[来源:伯杰].1999年,Wang成为第一个使用氧化锌(ZnO)作为压电材料用于纳米发电机的研究者[来源:Georgia乐动-软件Tech].在2009年的一篇文章中,王的团队将他们持续成功改进纳米发电机的成功归功于使用了氧化锌[来源:陆,et al。].

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

这是一个用于生长氧化锌纳米线的过程的微观观察。纳米线在中间,从左边的铬电极向右边的金电极生长。"width=
这是一个用于生长氧化锌纳米线的过程的微观观察。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。虽然衬底的强度和其他特性在设计纳米发电机时很重要,但神奇的是电路本身。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,从微观上乐动体育网站5.0看,柔性芯片的外层之下呈现出一幅完全不同的三维图像。

产生于压电材料中。如前所述,王的团队已经使用氧化锌进行开发纳米线.每根纳米线的直径(导线的宽度)在100到300纳米之间。每根纳米线的长度约为100微米;一微米=十万纳米。为了更好地理解这一点,请注意电线的长度(而不是宽度)大约是两根人类头发的宽度。

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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,并在线的另一端放置一个硅酮电极。电极表面呈之字形。当一个小施加物理压力对于纳米发电机,每根纳米线弯曲并产生电荷。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,从数百万纳米线中获取能量[来源:数值科学日报].

在他们自己的研究小组中,McAlpine和Purohit采用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,然后用磷酸去除它们。然后,他们将纳米带固定在预拉伸的硅橡胶表面,当松弛时,纳米带会弯曲而不会断裂。当纳米带弯曲时,它们的运动产生电力没有把它们从表面分离出来[来源:伯杰].

基于压电材料形成柔性电线的基本前提,研究人员研究了从每个发电机获得更多电力的方法。例如,王的实验室在每一个后续设计中都改进了纳米线和电路。王报告说,在过去的十年里,他看到产量比他刚开始工作时提高了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,你可能会在哪些地方发现纳米发电机。

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纳米发电机的实际应用:医学及其他领域

将纳米发电机嵌入衣服(如连帽衫或t恤)中,可能会给“摇滚的心脏”这句话带来新的含义。"width=
纳米发电机嵌入衣服(如连帽衫或t恤),可能会给“摇滚的心脏”这个短语带来新的含义。
iStockphoto /思想库

医生需要可靠的技术来为植入病人体内的设备供电,以乐动-软件调节或监控病人的健康。这类设备的例子有心脏起搏器和连续血糖监测系统。植入设备有一个固有的挑战:它们可能会随着时间的推移而磨损或需要更换电池或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种设备,这种设备能够保持供电,并在最小的身体入侵情况下持续很长时间[来源:Medgadget].这种装置可以利用心跳或肺扩张等不自主运动的能量。简而言之,你可以用你的身体来维持一个设备的生命,而这个设备反过来帮助你维持生命。此外,通过使用无毒材料,如ZnO作为压电材料,有更好的机会植入纳米发电机而不伤害身体[来源:数值].

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那么纳米发电机在医学之外还有什么?研究人员相信,纳米发电机将很快为你的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恤或连帽衫的布料中,这样你的iPod就可以利用你的脉搏来为内部电池充电。Wang预计他的团队开发的纳米发电机将成为此类产品的一部分,并在五年内可供购买[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:来自身体运动的动能。它们是由比电池更环保的材料制成的,而且它们有可能减少与电池生产和处理相关的废物。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,这种影响实际上是很小的。时间将告诉我们,纳米发电机是否可以为更大的设备供电,如笔记本电脑。

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对于那些你没有经常接触的设备,比如闹钟,你仍然需要电池备份。你还需要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无目的地运行,比如你的智能手机。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。

既然你已经了解了纳米发电机的相关知识,请转到下一页获取更多信息。

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更大的链接

  • 美国化学学会。“第一个实用的纳米发电机用手指捏一下就能发电。”29日,2011年。(2011年4月24日)http://portal.acs.org/portal/acs/corg/content?_nfpb=true&_pagelabel=pp_articlemain&node_id=222&content_id=cnbp_026949&use_sec=true&sec_url_var=region1&__uuid=6318dfa2 - 559 e - 4 - e5b - 8 f2c a41bbb36d954
  • 伯杰,迈克尔。“呼吸,纳米发电乐动体育网站5.0机将为你的起搏器提供动力。”Nanowerk2011年2月18日。(2011年4月24日)http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=20192.php
  • 博伊尔,丽贝卡。“可伸缩纳米发电机可以利用肺部运动为医疗植入物供电。”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
  • ”。“未来的iphone可能会以你的心跳充电。”2011年3月30日。(2011年4月24日)http://www.foxnews.com/scitech乐动-软件/2011/03/30/future-iphones-charged-heartbeat-experts-say/
  • Georgia乐动-软件Tech。“改善王中林教授。”佐治亚理工学院。乐动-软件11月10日,2010年。(2011年4月24日)http://www.youtube.com/watch?v=jonl07vmt2o
  • 数值,拉里。“下一个不那么重要的东西:纳米发电机。”《科学美国人》。2009年3月26日。(2011年4月24日)http://www.scientificamerican.com/blog/post.cfm?id=nanogenerator-2009-03-26
  • 卢明培,宋金辉,卢明彦,陈敏腾,高一帆,陈丽娟,王仲林。乐动体育网站5.0使用p型ZnO纳米线阵列的压电纳米发电机。纳米快报。美国化学学会。2009年2月11日。(2011年4月24日)http://www.nanoscience.gatec乐动-软件h.edu/zlwang/paper/2009/nano_lett_1223.pdf
  • Medgadget。为可植入微设备供电的柔性纳米发电机。2010年11月17日。(2011年4月24日)http://medgadget.com/archives/2010/11/flexible_nanogenerators_to_power_implantable_microdevices.html
  • 伊利诺伊大学香槟分校工程学院乐动-软件微纳米技术实验室。“设施:生物纳米技术实验室设备。”乐动-软件(2011年4月24日)http://mntl.illinois.edu/bionano/BioNano-equipment.htm
  • 纳米研究小组。“王中林博士。”佐治亚理工学院。乐动-软件(2011年4月24日)http://www.nanoscience.gatech乐动-软件.edu/zlwang/wang.html
  • 帕特尔布勒。“一个新的王中林教授。”麻省理工乐动-软件学院技术评论。2007年10月22日。(2011年4月24日)http://www.tech乐动-软件nologyreview.com/biomedicine/19602/?a=f
  • Sandeep文德兰花。“新斯坦福纳米中心为最小规模的研究提供了最先进的设备。”斯坦福新闻服务。斯坦福大学。2001年3月23日。(2011年4月24日)http://news.stanford.edu/pr/2011/pr -斯坦福大学纳米中心- 032311. - html
  • 《科学日报》。纳米发电机将机械能转化为电能,用于自供电设备。ScienceDaily LLC. 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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