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Nano Letters:“纳米发电机夹克”让仓鼠发电

来源:腾讯科技 2009-02-18 16:32

仓鼠能够协助解决世界能源危机么?恐怕不行,但是日前一只穿着特制产生电能外衣的仓鼠正在崭新的可再生电力资源领域贡献着自己的“微薄”力量。

科学家最新研制一种“纳米发电机夹克”,让仓鼠穿上之后,仓鼠在跑步机上连续跑动便能产生电能。

目前,美国乔治亚州理工学院的研究人员已利用纳米技术通过轻叩手指获得电流——这使得使用黑莓手机、移动电话及其他掌上设备的用户进一步接近自行供电时代。该大学材料科学与工程专业资深教授王中林(音译)说:“通过纳米技术,我们甚至可以将变化多样的生物机械能转变为电能,这项技术可将多种形式的机械能转变为电能。”

这一利用生物机械能产生电能的科学示范以及研究报告发表在2月11日出版的美国化学学会《纳米快报》期刊杂志上。这一研究显示王中林研究团队自2005年以来一直致力研究的纳米技术发电机可在不均匀机械运动的驱动下运行,诸如声带运动、风吹旗动、手指叩动或是仓鼠活动。因为大多数的生物机械能是多变的,不像目前用来大规模供电的机械运动那样固定不变,所以从不规则运动中获取低频能源是有重大意义的。

纳米发电机的产能机理是压电效应——某些金属,例如氧化锌金属线,能够在屈伸变化间产生电流的一种现象。这些金属丝直径在100至800纳米之间,长度在100至500纳米之间。为了制作这一发电机,王中林研究团队将单根氧化锌金属丝装入一个可弯曲聚合物基板,金属丝的两端各与一个电器插头相连,并有一端连一肖特基二极管以控制电流。然后将其中一个单线发电机贴到食指的关节区,或是将四个单线发电机相组合安装到一件穿在仓鼠身上的黄夹克里。仓鼠的跑动或抓挠,食指的拍敲叩动,都能使装有纳米金属丝的基板弯曲,从而产生微量交流电。仓鼠夹克中融入的四个纳米发电机可产生0.5纳安的电流,手指上的单一发电机产生的电流自然会更少。

王中林认为除了手指叩动、仓鼠运动外,这一装置还可植入人体,从肌肉活动、血管舒缩等过程中获得能量,从而成为监测血压及其它生命体征的纳米装置供能。由于这些装置产生的是交流电,将仓鼠背上的四个发电机所产生电流整合以得到最大电流是必不可少的,否则其中一个发电机所产生电流很可能与另一电流相抵消。

王中林领导的这支研究小组利用单向弯曲基板使金属丝同时共向弯曲,尽管这样,每个发电机的输出功率之间仍有较大差异。这些差异主要来自弯曲程度的不同和手工制作装置的不统一性。王中林指出,“纳米发电机必须保持同步,只有他们输出功率保持稳定,产生的电流才有应用价值。我们期望在不久的将来通过在设计及制造工艺方面的进一步提高来解决这一问题。”

为确保所测得电流确实为发电机所产生,研究人员采取了多项预防措施。例如:用不具有压电性的碳化纤维取代氧化锌纳米金属丝做试验没有得到输出电流信号。王中林研究团队最初尝试给大老鼠全套装备这种产能外套,却发现这个小家伙对跑动毫无兴趣。

在王中林教授女儿的建议下,研究人员发现仓鼠更适合进行这一实验,只不过仅限于夜间十一点之后。他们必须将实验装置做得像一件夹克,这样既可确保不会中途掉落又能保证足够的空间供基板弯曲,当然还不能太紧以免仓鼠感到不适。王中林教授补充说:“我们认为这是纳米发电机利用活体动物产生电流的首例,这一研究显示利用生物活动确实可以产生电流。”这一研究得到美国国防部高级研究计划署、美国能源部、美国空军、艾莫里-乔治亚理工大学癌症中心纳米技术处的支持。(生物谷Bioon.com)

生物谷推荐原始出处:

Nano Letters,DOI: 10.1021/nl803904b,Rusen Yang,Zhong Lin Wang

Converting Biomechanical Energy into Electricity by a Muscle-Movement-Driven Nanogenerator

Rusen Yang, Yong Qin, Cheng Li, Guang Zhu and Zhong Lin Wang*

School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia 30332

A living species has numerous sources of mechanical energy, such as muscle stretching, arm/leg swings, walking/running, heart beats, and blood flow. We demonstrate a piezoelectric nanowire based nanogenerator that converts biomechanical energy, such as the movement of a human finger and the body motion of a live hamster (Campbell’s dwarf), into electricity. A single wire generator (SWG) consists of a flexible substrate with a ZnO nanowire affixed laterally at its two ends on the substrate surface. Muscle stretching results in the back and forth stretching of the substrate and the nanowire. The piezoelectric potential created inside the wire leads to the flow of electrons in the external circuit. The output voltage has been increased by integrating multiple SWGs. A series connection of four SWGs produced an output voltage of up to 0.1?0.15 V. The success of energy harvesting from a tapping finger and a running hamster reveals the potential of using the nanogenerators for scavenging low-frequency energy from regular and irregular biomotion.

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