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mooncakeaa木蟲之王 (文壇精英)
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王中林小組研制出柔性摩擦電發(fā)電機(jī) 已有5人參與
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王中林小組研制出柔性摩擦電發(fā)電機(jī) http://news.sciencenet.cn//htmlpaper/2012669341610824812.shtm 能源問題是影響人類進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展的重大問題之一，各種圍繞新能源開發(fā)、可再生能源重復(fù)利用的研究正在世界各地如火如荼的進(jìn)行之中。基于納米器件的能源研究工作是在小尺度范圍內(nèi)進(jìn)行的，雖然無法解決人類傳統(tǒng)能源日益枯竭的問題，但卻也足以影響到人們的日常生活，特別是便攜式和移動式小型電子設(shè)備。 2006年，美國佐治亞理工學(xué)院的王中林研究組首次提出了納米發(fā)電機(jī)的理念，開辟了能源轉(zhuǎn)化和應(yīng)用的一個新的范疇。此后，各種類型的納米發(fā)電機(jī)不斷被研制出來，研究勢頭方心未艾。傳統(tǒng)的納米發(fā)電機(jī)是基于壓電材料的納米線，納米薄膜、納米纖維等結(jié)構(gòu)，利用材料自身的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了將各種形式的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為可利用的電能。隨著研究的不斷深入，單個發(fā)電機(jī)器件的電能輸出功率不斷提高，已成功實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動常規(guī)電子器件。納米發(fā)電機(jī)研究的不斷向前推進(jìn)，將為納米新能源的開發(fā)和利用提供新方法和新思路，也會對對未來人類生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 通常來講，發(fā)電機(jī)是一種可以產(chǎn)生電荷或?qū)⒄?fù)電荷分開，并利用電勢差驅(qū)動產(chǎn)生的電荷定向流動形成電流的裝置，它可以以電磁、壓電、熱電、甚至靜電效應(yīng)為基礎(chǔ)。壓電納米發(fā)電機(jī)依靠納米壓電材料所生成的壓電電勢實(shí)現(xiàn)了發(fā)電。而另一方面，摩擦電和靜電現(xiàn)象是一種非常普遍的現(xiàn)象，存在于我們?nèi)粘Ｉ钪懈鱾�層面，從走路到開車等等。由于它很難被收集和利用，往往是被人們所忽略的一種能源形式。如果我們可以通過一種新的方法收集摩擦產(chǎn)生的電能或者利用該方法將日常生活中不規(guī)則的動能轉(zhuǎn)成可以利用的電能，將對我們的日常生活產(chǎn)生重要影響。截止到目前為止，靜電微型發(fā)電機(jī)已被研制成功，并且在微機(jī)電（MEMS）領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是微型靜電發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)主要以無機(jī)硅材料為基礎(chǔ)，并且器件的制造需要復(fù)雜的工藝和精密的操作。整個裝置的制備需要大型的儀器設(shè)備和特殊的生產(chǎn)條件，造價成本過高，不利于發(fā)電機(jī)的商業(yè)化和日常應(yīng)用。最近，在王中林教授領(lǐng)導(dǎo)下,由范風(fēng)茹，林龍和朱光等組成的研究小組巧妙的利用摩擦起電和靜電感應(yīng)的原理，成功研制出柔性摩擦電發(fā)電機(jī)以及基于該原理的透明摩擦電發(fā)電機(jī)兼高性能壓力傳感器。最新相關(guān)成果近期發(fā)表在《納米能源》(Nano Energy，2012，1，328）和《納米快報(bào)》（Nano Letter，2012，ASAP） 王中林教授所領(lǐng)導(dǎo)的研究組通過合理的設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)，可以使得摩擦起電這一古老的現(xiàn)象展現(xiàn)出新的應(yīng)用價值和潛力。整個摩擦電發(fā)電機(jī)則依靠摩擦電電勢的充電泵效應(yīng)，將兩種鍍有金屬電極的高分子聚合物薄膜-聚酰亞胺（Kapton）膜和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜貼合在一起組成器件，在外力作用器件產(chǎn)生機(jī)械形變，導(dǎo)致兩層聚合物膜之間發(fā)生相互摩擦，從而產(chǎn)生電荷分離并形成電勢差。而兩個金屬極板作為發(fā)電機(jī)的電能輸出端，通過靜電感應(yīng)可以在表面生成感應(yīng)電荷。感應(yīng)電荷在摩擦電電勢驅(qū)動下流經(jīng)外電路即可形成電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在僅僅0.13%的機(jī)械形變下，單個器件的輸出電壓達(dá)到3.3V，輸出電流0.6μA，峰值功率密度10.4mW/cm3。 摩擦電發(fā)電機(jī)有以下幾個獨(dú)特的優(yōu)勢。首先，這是一種以新穎的原理和方法為基礎(chǔ)的新型發(fā)電機(jī)，由于其全高聚物的結(jié)構(gòu)特性，它很可能會為有機(jī)電子器件和柔性電子學(xué)的研究和應(yīng)用開辟新的研究領(lǐng)域；其次，整個器件的制造工藝不需要昂貴的原材料和先進(jìn)的制造設(shè)備，這將有利于它大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。最后，整個器件以柔性聚合物膜為基本結(jié)構(gòu)，易加工，器件的使用壽命長，并且容易和其它加工工藝集成。摩擦電發(fā)電機(jī)展示出它良好的應(yīng)用前景，可以從人類活動、輪胎轉(zhuǎn)動、海浪、機(jī)械振動等眾多不規(guī)則活動中獲得能量，可為個人電子產(chǎn)品、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)學(xué)科學(xué)等提供自供電和自驅(qū)動設(shè)備，有著巨大的商用和實(shí)用潛力。 在此基礎(chǔ)上，王教授研究組的科研人員又改進(jìn)摩擦電發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，發(fā)展出了透明柔性摩擦電納米發(fā)電機(jī)。為了使整個裝置透密化和提高發(fā)電能量密度，研究人員采取了以下三個策略：（i）用透明的PDMS薄膜代替原有的非透明Kapton膜（ii）用透明的ITO電極取代原有的金電極，至此，整個器件就是一個全透明柔性裝置。（iii）在PDMS膜表面用微加工的方法制作各種規(guī)則的模型陣列，以此增強(qiáng)摩擦效應(yīng)從而提高納米發(fā)電機(jī)的輸出效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有微結(jié)構(gòu)陣列的發(fā)電機(jī)器件其能量輸出效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原有的無結(jié)構(gòu)器件，輸出電壓高達(dá)18V，峰值電流達(dá)到0.7 μA，對應(yīng)的峰值電流密度約為0.13 μA/cm2. 此外，所制備的納米發(fā)電機(jī)可以用作自驅(qū)動壓力傳感器，可以感應(yīng)落下的水滴（8毫克~3.6 帕的接觸壓力）和降落的羽毛（20毫克~0.4帕接觸壓力）的輕微踏觸。該裝置的設(shè)計(jì)和研制成功大大拓寬了納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍。為納米發(fā)電機(jī)在光學(xué)器件、電子顯示器件、個人電子設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平了道路。由于其簡單的制作工藝和低成本的生產(chǎn)過程，柔性透明納米發(fā)電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。同時，它具有很好的可加工性和耐用性，可以與其它工業(yè)制作過程相融合。柔性納米發(fā)電機(jī)可被應(yīng)用于各種自驅(qū)動系統(tǒng)如觸摸屏，電子顯示器，以及其它個人電子產(chǎn)品。（來源：科學(xué)網(wǎng)） 更多閱讀 《納米快報(bào)》發(fā)表論文（英文）見附件。[ Last edited by mooncakeaa on 2012-6-6 at 10:31 ] |
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2012-06-06 10:31:00, 419.56 K
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2樓2012-06-06 14:07:17
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3樓2012-06-06 16:13:26
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4樓2012-06-08 09:51:29
tory04
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5樓2012-06-08 11:03:51
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6樓2012-10-09 19:04:56
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