空气或水的流动，引擎、空调的噪音，人的行走、呼吸、心跳或是血液流动，都有可能产生电能？这在遥远的未来，也许并非梦想
□ 本刊记者 于达维/文
这并非天方夜谭：只要存在运动——不管是声音的振动，还是血液的流动，甚至人的行走——在不久的将来，或许都能被转化成电能。
4月6日出版的美国《科学》（Science）杂志上，美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林，正式向外界展示了由超声波驱动的直流纳米发电机。
超声波发电机
实际上，早在去年4月14日，一向对新方法、新理论十分热衷的《科学》杂志，就报道了王中林所在的小组，首次在纳米（十亿分之一米）尺度范围内将机械能转换成电能的研究成果。
作为世界上最小的发电机，王研制的纳米发电机巧妙地利用了氧化锌纳米线的半导体性能和压电效应。他们用导电的原子力显微镜探针针尖去弯曲竖直的氧化锌纳米线，由于压电效应，被弯曲的纳米线表面上就会产生反极性的极化电荷。由于氧化锌本身具备半导体性质，所以，这些的电荷会被累积储存在纳米线上；然后，当探针离开后纳米线就会恢复形状，并产生电流。
据测算，这种纳米发电机的发电效率可以达到17％-30％。而现在最好的太阳能电池的实际发电效率，也仅在20％上下。
但是，要继续推进这项研究，一个无法回避的问题，就是如何摆脱对显微镜探针的依赖，即用其他方式使纳米线发生弯曲，从而产生电能。比如，如果能够通过声波、超声波或水压能来实现这一点，就意味着可以从周围环境中获得电能，从而产生一个强大的动力源。
几乎整整一年之后，王中林终于推出了改进版的纳米发电机——它不需要探针的帮助，超声波就可以完成让纳米线发生振动的“使命”：
他们让纳米线在电极板上垂直生长，与上面的电极的接触面则被设计成锯齿状，并且覆盖着金属铂。由于纳米线极其纤细，一旦有外界环境震动，无论是超声波，还是人的行走、潮汐的运动，甚至心脏跳动（如果被植入人体内部的话），纳米线受到机械运动产生的动能传导的影响，自身就会产生微小的共振或者说摆动、变形，从而在表面积累起电荷。
由于纳米线与上面的电极之间的空隙非常小，形状又是锯齿形的，加上电极本身也会产生上下振动，所以，在纳米线摆动过程中，很容易就会碰到上面的铂电极，从而把电流输送出来。
根据最新的设计，在频率为41千赫兹的超声波作用下，分布在2平方毫米面积的氧化铝基片上的500根纳米线的阵列，不仅可以输出强度约一纳安（nA）的连续电流，更可以将电流输出保持一个多小时而没有任何衰减。
王中林在接受《财经》记者采访时表示，这一研究的突破之处，还在于通过将大量的纳米线集中在锯齿状的电极板中间，让纳米线能够同时、连续和独立地吸收外界环境中的机械能，并第一次实现了连续性的直流输出。这也给植入人体、遥感的纳米器械和纳米机器人实现能量自给带来了新的曙光。
近年来，尺寸微小、功耗低、反应灵敏的纳米器件和纳米机器人，一直是纳米学术界的前沿，因为它可以完成微观医疗以及遥感等普通人力难以企及的使命。但对于全球众多的研究者而言，最大的问题是，不管纳米器械做到多小，仍然不得不依赖庞大的外接电源；更不用说由于常规电池多含有毒性物质，使得一些医用纳米微型设备无法植入人体了。
如果不能同步实现器件和电源的小型化，让纳米器械进入微观世界，也许只能是纸上谈兵。现在，随着纳米发电机的出现，这一前景重新变得光明起来。
哈佛大学化学系教授查尔斯莱博（Charles Lieber）对《财经》记者指出，这一发明，为如何给纳米器件提供电力这一关键问题“提出了解决方案”。
电池末日？
到目前为止，水能、风能乃至潮汐能的大规模利用都已经成为现实；但如何将动能直接转化成电能，并驱动便携设备，一直是个巨大的挑战。
历史最为悠久、应用范围最广的化学电池，是利用电化学反应，将化学能直接转换成电能加以储存，并在使用时将化学能转变成电能。从伏打电池到现在，化学电池经过了十几代更新，先后出现了锌锰电池、铅酸电池，镍镉、铁镍、银锌、银镉、锂电池，燃料电池等不同种类。它们利用不同金属、不同电解液的电化学反应，实现电能和化学能之间的转化。
“化学电池经过200多年的发展已经比较成熟，性能提高了很多。加上体积小、携带方便，通过化学的方式储存电能还是最常用的方式。”中国电池工业协会秘书长王敬忠对《财经》记者说。
不过，对于大多数化学电池来说，生产和回收过程中所造成的重金属污染，一直是无法克服的难题。
除了化学电池，物理电池包括了利用光伏效应将太阳光能直接转换成电能的太阳电池、利用塞贝克效应将热能直接转换成电能的温差电池，以及将原子核放射能直接转换为电能的核电池等。但至少就目前而言，对于物理电池来说，效率和成本还是两大瓶颈。
采用对人体无害且价格相对低廉的氧化锌作为材料的纳米发电机，显然开启了一个全新的“窗户”。
在王中林看来，空气或水的流动、引擎的转动、空调或其他机器的运转等引起的各种频率的噪音、人行走时肌肉伸缩或脚对地的压缩，甚至在人体内由于呼吸、心跳或血液流动带来的体内某处压力的细微变化，将来都有可能带动纳米发电机产生电能。
有数据显示，血液流动产生的能量约为0.93瓦，呼吸也能产生0.83瓦的能量，人行走可以产生67瓦的能量。而且，相对于寿命有限的电池，纳米发电机可以工作很长的时间，甚至可以保证人体中的微观器械一生中的能量供应而无需更换。
“纳米线相对于薄膜电源的主要优势，就是它的耐久能力特别强，几乎不会有疲劳效应。所以，这样的纳米发电机可以用很长很长时间。”王中林补充说。
不过，现在就对传统电池说“再见”，显然还远不是时候。
中国化学与物理电源协会秘书长刘彦龙对《财经》记者表示，现在电池界也不断从材料上对电池进行改进，尽量向无毒、环保的方向努力，新产品也在不断出现。对于新兴的纳米发电机来说，在很多情况下，可能还需要传统电池的配合，才能保证电源在不同环境条件下的持续工作。
莱博教授也指出，同任何研究一样，公众对纳米发电机马上就能实际应用的期待“不要过高”。因为从实验室阶段到完成工程化乃至真正走入市场，都需要时间，而这个时间表显然也“不容易预测”。
争夺未来
根据王中林的预测，使用纳米发电驱动的微观器械有望在三年内问世，并在五至八年的时间内得到大规模的应用。
“现在小组里的八个学生都放下了手里的其他工作，全力做这个事（纳米发电机）。”中国国家纳米中心的博士生武祥对《财经》记者透露。
目前，纳米发电机一次放电过程中，在电阻上的输出电压约为8微伏；一个10微米×10微米大小的纳米线阵列所产生的功率，足可以驱动基于单根纳米线、纳米带以及纳米管的装置。串联1000根这样的纳米线，即可输出8伏的电压，这已经相当于普通干电池的供电能力。
但实际情况却要复杂得多。
王中林对《财经》记者表示，从理论上说的确如此，但串连这么多的纳米线，实际上是不现实的。比如，最困难的问题，就是如何让氧化锌纳米线生长得长度一致；如果共同振动的纳米线不能同时接触极板的话，就无法同时输出电能。
除了进一步改良纳米线的生长方式，让它们在粗细和长度上接近一致，并且在极板上均匀分布，以便让尽量多的纳米线可以同时产生电能，下一步是希望通过进一步改进技术，使得仅用少量的纳米线，就可以达到0.5伏到1伏的输出水平，“我相信在一年的时间内，就可以达到这个目标”。王说。
此外，要实现工程化目标，还需要进一步提高纳米发电机的封装水平，以便提高能量转换效率；更为宏大的目标，则是在诸如人体运动、机械振动和声波等低频振动的情况下，提高能量转化的效率。因为目前氧化锌纳米线的典型共振频率约为10兆赫兹，对高频振动更加敏感，其输出电能的效率也相对更高。而如何实现其对人体、水流这样的低频振动的响应，是一个必须解决的问题。
在这样的前沿领域，竞争自然也难以避免，一水之隔的台湾大学奈米科技研究中心的陈永芳教授，就是可能的挑战者之一。虽然参考了王的发明，一年前，他却选择了性质与氧化锌颇为相似的氮化镓，进行自己的纳米发电机实验。
氧化锌的成本比较低，但氮化镓工业上的用途更广，技术上比较成熟，在以电子代工为主业的台湾很容易获得。在接受《财经》记者采访时，陈表示，现在还有很多工作要做，“很多困难要克服”。
王中林承认，氮化镓在半导体和压电效应上与氧化锌很相似，但他强调，氮化镓纳米线在生长上的难度比较大，它需要在特别复杂和昂贵的环境。而且，氮化镓还对环境产生污染，“我相信氧化锌还是最好的。”
当然，我们也许应该抛开烦琐的技术细节，在科学允许的范围内，畅想一下纳米电源可能带来的未来——
除了完全无线、可生物植入、长时期甚至终生无需照管的纳米或微电子器件，将来的士兵在军鞋中安装这种纳米发电机，通过行走就能为随身携带的微型设备供电，而不必在战场上背负沉甸甸的电池。
如果愿意，当然不仅是士兵，每个人的衣服上、鞋子里等，都可以放置这样的电源，为身上携带的便携电子设备（包括MP3、手机等）提供能量。届时惟一的问题，可能就是需要不断运动来给它充电。■
