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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 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 http://news.sciencenet.cn//htmlpaper/2012669341610824812.shtm 能源問題是影響人類進步和可持續(xù)發(fā)展的重大問題之一，各種圍繞新能源開發(fā)、可再生能源重復利用的研究正在世界各地如火如荼的進行之中�；诩{米器件的能源研究工作是在小尺度范圍內(nèi)進行的，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備。 2006年，美國佐治亞理工學院的王中林研究組首次提出了納米發(fā)電機的理念，開辟了能源轉(zhuǎn)化和應用的一個新的范疇。此后，各種類型的納米發(fā)電機不斷被研制出來，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實現(xiàn)了將各種形式的機械能轉(zhuǎn)化為可利用的電能。隨著研究的不斷深入，單個發(fā)電機器件的電能輸出功率不斷提高，已成功實現(xiàn)了驅(qū)動常規(guī)電子器件。納米發(fā)電機研究的不斷向前推進，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)生深遠的影響。 通常來講，發(fā)電機是一種可以產(chǎn)生電荷或?qū)⒄撾姾煞珠_，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、甚至靜電效應為基礎。壓電納米發(fā)電機依靠納米壓電材料所生成的壓電電勢實現(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)電機已被研制成功，并且在微機電（MEMS）領域得到廣泛應用。但是微型靜電發(fā)電機的設計主要以無機硅材料為基礎，并且器件的制造需要復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備和特殊的生產(chǎn)條件，造價成本過高，不利于發(fā)電機的商業(yè)化和日常應用。最近，在王中林教授領導下,由范風茹，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的原理，成功研制出柔性摩擦電發(fā)電機以及基于該原理的透明摩擦電發(fā)電機兼高性能壓力傳感器。最新相關成果近期發(fā)表在《納米能源》(Nano Energy，2012，1，328）和《納米快報》（Nano Letter，2012，ASAP） 王中林教授所領導的研究組通過合理的設計器件結(jié)構(gòu)，可以使得摩擦起電這一古老的現(xiàn)象展現(xiàn)出新的應用價值和潛力。整個摩擦電發(fā)電機則依靠摩擦電電勢的充電泵效應，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)生機械形變，導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)電機的電能輸出端，通過靜電感應可以在表面生成感應電荷。感應電荷在摩擦電電勢驅(qū)動下流經(jīng)外電路即可形成電流。實驗結(jié)果表明，在僅僅0.13%的機械形變下，單個器件的輸出電壓達到3.3V，輸出電流0.6μA，峰值功率密度10.4mW/cm3。 摩擦電發(fā)電機有以下幾個獨特的優(yōu)勢。首先，這是一種以新穎的原理和方法為基礎的新型發(fā)電機，由于其全高聚物的結(jié)構(gòu)特性，它很可能會為有機電子器件和柔性電子學的研究和應用開辟新的研究領域；其次，整個器件的制造工藝不需要昂貴的原材料和先進的制造設備，這將有利于它大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和實際應用。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)電機展示出它良好的應用前景，可以從人類活動、輪胎轉(zhuǎn)動、海浪、機械振動等眾多不規(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)學科學等提供自供電和自驅(qū)動設備，有著巨大的商用和實用潛力。 在此基礎上，王教授研究組的科研人員又改進摩擦電發(fā)電機的結(jié)構(gòu)，發(fā)展出了透明柔性摩擦電納米發(fā)電機。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，以此增強摩擦效應從而提高納米發(fā)電機的輸出效率。實驗結(jié)果表明，具有微結(jié)構(gòu)陣列的發(fā)電機器件其能量輸出效率要遠遠高于原有的無結(jié)構(gòu)器件，輸出電壓高達18V，峰值電流達到0.7 μA，對應的峰值電流密度約為0.13 μA/cm2. 此外，所制備的納米發(fā)電機可以用作自驅(qū)動壓力傳感器，可以感應落下的水滴（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。該裝置的設計和研制成功大大拓寬了納米發(fā)電機的應用范圍。為納米發(fā)電機在光學器件、電子顯示器件、個人電子設備等領域的應用鋪平了道路。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)電機在工業(yè)生產(chǎn)和實際應用具有很強的優(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)電機可被應用于各種自驅(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：科學網(wǎng)） 更多閱讀 《納米快報》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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6樓2012-10-09 19:04:56
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