可貼到皮膚上的金標籤：利用人體運動發電！

近日，中國科學院半導體研究所和美國紐約州立大學布法羅分校聯合開發出一種金屬標籤（摩擦電納米發電機），它可以利用簡單的人體運動（例如彎曲手指）發電。相比其他的摩擦電納米發電機，它成本低廉，便於製造。

背景

一般來說，大多數電子產品都需要依靠電池供電。但是，電池存在續航時間有限、需要反覆充電、具有安全隱患等弊端。然而，未來我們或許可以憧憬這樣的場景：電子產品將不再需要電池，也無需擔心沒電。

如何能實現這一目標呢？自供電技術為我們提供了各式各樣的方案。其能量來源方式有：人體運動（摩擦電效應、壓電效應）、熱量（溫差電效應）、光線、無線電波等等。

（圖片來源：美國化學會）

（圖片來源：密歇根州立大學）

（圖片來源：David Kelly Crow）

創新

今天，筆者又要為大家介紹一種利用摩擦電效應的自供電方式。當這種小型金屬標籤粘貼到人體上時，它可以從簡單的人體運動（例如：彎曲手指）中獲取能量。

這個創意來源於美國紐約州立大學布法羅分校和中國科學院（CAS）半導體研究所（IoP）的合作研究項目。關於該標籤（摩擦電納米發電機）的論文在線發表於1月31日的《納米能源》（Nano Energy）雜誌。

論文的合著者包括：中國科學院半導體研究所的 Huamin Che 、紐約州立大學布法羅分校的博士生 Nan Zhang 。

（圖片來源：《納米能源》）

技術

在我們日常生活中，摩擦電效應非常普遍，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車時都會遇到。這是兩種不同的物體相互摩擦後，一種物體帶正電，另一種物體帶負電的現象。日常生活中，大部分的靜電都是由於摩擦起電引起的。

這項研究開發出的摩擦電納米發電機的結構如同三明治一般，外面是兩薄層金，中間包含了聚二甲基硅氧烷（也稱為PDMS，隱形眼鏡、橡皮泥和其他產品中使用的一種硅基聚合物）。

該裝置的關鍵之處在於，其中的一層金是可拉伸的，在釋放時它會變皺，形成有點像微型山脈一樣結構。當有力量重新施加時，例如手指彎曲，這種運動將導致金層與PDMS之間的摩擦。

論文的另外一位領導作者、中國科學院半導體研究所教授 Yun Xu 博士表示：「這將引起電子在金層之間前後流動。摩擦越多，產生的電力就越多。」

這篇論文描述了一種小型標籤（1.5厘米長，1厘米寬）。它可以製造出的最大電壓是124伏，最大電壓是10微安，最大功率密度是0.22毫瓦每平方厘米。它尚不足以為智能手機進行快速充電，但是可以同時點亮48個LED燈。

價值

為了利用摩擦起電效應，研究人員嘗試開發過大量的納米發電機，但是大部分的納米發電機都難以製造（需要複雜的光刻工藝）或者成本較高。UB和CAS團隊聯合開發的這種標籤，能同時解決上述兩個問題。

未來

Zhang 領導了UB的一個研究生團隊，任務就是提高標籤的性能。團隊計劃使用更大片的金，當這種金片拉伸和摺疊到一起時，有望產生更多的電力。

研究人員也正在致力於開發一種攜帶型電池，存儲由標籤產生的能量。他們憧憬著該系統將作為各種可穿戴和自供電電子裝置的一種電源。

關鍵字

摩擦電、納米技術、自供電

參考資料

【1】http://www.buffalo.edu/news/releases/2018/02/019.html

【2】Huamin Chen, Lin Bai, Tong Li, Chen Zhao, Jiushuang Zhang, Nan Zhang, Guofeng Song, Qiaoqiang Gan, Yun Xu.Wearable and robust triboelectric nanogenerator based on crumpled gold films. Nano Energy, 2018; 46: 73 DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.01.032

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