摩擦納米發電機的四種基本工作模式

摩擦納米發電機是一項顛覆性技術並具有史無前例的輸出性能和優點。與經典電磁發電機相比，摩擦納米發電機在低頻下的高效能是同類技術無法比擬的。同時它也可以作為自驅動的感測器來感知由機械觸發所產生的靜態和動態過程的信息。

納米發電機將是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術後在能源與感測方面的另一重大應用，有可能引領技術革新並深刻改變人類社會。

現今的電子設備大多與人類活動相關，主要是為了健康、安全和通信等。而與人類相關的最富餘的能量形式就是人體運動產生的機械能。最近，我們發現：當兩種不同材料相接觸時，它們的表面由於接觸起電作用會產生正負靜電荷；而當兩種材料由於機械力的作用分離時，接觸起電產生的正負電荷也發生分離，這種電荷分離會相應地在材料的上下電極上產生感應電勢差；如果在兩個電極之間接入負載或者處於短路狀態，這個感應電勢差會驅動電子通過外電路在兩個電極之間流動——這就是王中林課題組於 2012 年首次發明的摩擦納米發電機（ TENG ），主要目標是收集小尺度的機械能。TENG 具有如下四種基本工作模式。

圖1 摩擦納米發電機的四種基本工作模式。（a）垂直接觸-分離模式；（b）水平滑動模式；（c）單電極模式；（d）獨立層模式（本圖已獲得英國皇家化學學會許可）

垂直接觸-分離模式

我們以 TENG 的最簡單的設計為例（圖 1a）在這個結構中，兩種不同材料的介電薄膜面對面堆疊，它們各自的背表面鍍有金屬電極。這兩層介電薄膜相互接觸，會在兩個接觸表面形成符號相反的表面電荷。當這兩個表面由於外力作用而發生分離時，中間會形成一個小的空氣間隙，並在兩個電極之間形成感應電勢差。如果兩個電極通過負載連接在一起，電子會通過負載從一個電極流向另一個電極，形成一個反向的電勢差來平衡靜電場。當兩個摩擦層中間的空氣間隙閉合時，由摩擦電荷形成的電勢差消失，電子會發生迴流。

水平滑動模式

這種模式初始的結構和垂直接觸 - 分離模式的相同。當兩種介電薄膜接觸時，兩個材料之間會發生沿著與表面平行的水平方向的相對滑移，這樣也可以在兩個表面上產生摩擦電荷（圖 1b）。這樣，在水平方向就會形成極化，可以驅動電子在上下兩個電極之間流動，以平衡摩擦電荷產生的靜電場。通過周期性的滑動分離和閉合可以產生一個交流輸出。這就是滑動式 TENG 的基本原理。這種滑動可以以多種形成存在，包括平面滑動、圓柱滑動和圓盤滑動等。我們對這些結構進行了相關研究，從而更全面地理解滑動模式以及其中更複雜的柵格結構。

單電極模式

在前面介紹的兩種工作模式都有通過負載連接的兩個電極。在某些情況下，TENG 的某些部分是運動部件（如人在地板上走路的情況），所以並不方便通過導線和電極進行電學連接。為了在這種情況下更方便地收集機械能，我們引入了一種單電極模式的 TENG ，即只有底部有電極，且接地（圖 1c）。如果 TENG的尺寸有限，上部的帶電物體接近或者離開下部物體，都會改變局部的電場分布，這樣下電極和大地之間會發生電子交換，以平衡電極上的電勢變化。這種基本工作模式可以用在接觸 - 分離結構和滑動結構中。

獨立層模式

在自然界中，運動物體由於和空氣或其他物體的接觸，通常都會帶電，就像我們的鞋子在地板上走路也會帶電。因為材料表面的電荷密度會達到飽和，而且這種靜電荷會在表面保留至少幾小時，所以在這段時間並不需要持續的接觸和摩擦。如果我們在介電層的背面分別鍍兩個不相連的對稱電極，電極的大小及其間距與移動物體的尺寸在同一量級，那麼這個帶電物體在兩個電極之間的往複運動會使兩個電極之間產生電勢差的變化，進而驅動電子通過外電路負載在兩個電極之間來迴流動，以平衡電勢差的變化（ 圖 1d）。電子在這對電極之間的往複運動可以形成功率輸出。這個運動的帶電物體不一定需要直接和介電層的上表面接觸，例如在轉動模式下，其中一個圓盤可以自由轉動，不需要和另一部分有直接的機械接觸，就可以在很大程度上降低材料表面的磨損，這對於提高 TENG 的耐久性非常有利。

圖2收集各種不同形式機械能的 TENG 的實物照片。這些 TENG 和對應的機械能形式包括：（a）手指敲擊的能量；（b）空氣流動和風能；（c）平面內滑動能量；（d）封閉腔體的 TENG用來收集水能和機械振動能；（e）可以用紡織物收集的人體運動的動能；（f）用透明的 TENG來收集觸屏操作的能量；（g）腳踏和手拍的能量；（h）水的衝擊能量；（i）用圓柱形 TENG 來收集轉動能量；（j）置於鞋內的 TENG 用來收集走路的能量；（k）柔性的柵格結構用來收集滑動的能量；（l）圓盤式 TENG 用來收集轉動能量（本圖已獲得英國皇家化學學會許可）

基於以上描述的四種基本工作模式，我們對於具體的應用製備了多種不同結構的 TENG 。圖 2 是我們製備的用來收集不同形式機械能的 TENG 的圖片。這些結構都是為小型電子設備提供微納能源的基本部件，通過將多個這樣的基本部件集成到一起，可以實現用這個基本原理來進行大尺度發電。

麥克斯韋位移電流的未來新興產業：能源與感測

在過去的 20 世紀里，現代社會通過廣播和通信衛星建立起來的經濟、文化和政治上的廣泛聯繫都直接產生於麥克斯韋方程組的位移電流一項。物理學歷史上認為牛頓的經典力學打開了機械時代的大門，而麥克斯韋電磁學理論則為信息時代奠定了基石。 1931 年，愛因斯坦評價麥克斯韋的建樹「是牛頓以來，物理學最深刻和最富有成果的工作。」

從 1886 年到 20 世紀 30 年代，由位移電流第一項推導出電磁波理論，電磁感應現象催生出天線廣播、電視電報、雷達微波、無線通信和空間技術。在 20 世紀60 年代，電磁統一產生光的理論，又給激光的發明和光子學的發展提供了重要的物理理論基礎。此外，飛機、船舶和宇宙飛船的控制與導航，電力和微電子工業的技術進步都離不開麥克斯韋。

而從 2006 年至今，位移電流第二分量基於媒介極化的特點催生出壓電納米發電機和摩擦納米發電機的興起，將極大地推動新能源技術和自供電感測器技術的發展，使納米發電機能源系統在物聯網、感測器網路、藍色能源甚至大數據等影響未來人類發展的重大方面得到廣泛的應用。經過 150 余年的時空印記，追本溯源，納米發電機是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術後在能源與感測方面的另一重大應用。

圖3 從麥克斯韋位移電流的兩個分量導出的主要基礎科學、技術和工業影響。左側是衍生的電磁波理論影響了 20 世紀通信技術的發展；右側是位移電流衍生的新技術用於能源和感測器，極大可能會影響未來世界的發展

在可以預見的未來，這棵汲取物理學第一大方程組營養的大樹，將愈發茁壯成長，有可能引領技術革新，深刻改變人類社會（圖3）。

本文摘編自王中林等著《摩擦納米發電機》（責任編輯：李明楠 高 微）第1章，內容有刪減。

摩擦納米發電機

王中林 等著

北京：科學出版社 2017.03

ISBN 978-7-03-051749-4

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！