遇见未来新动力，纳米发电机正在走来

2019-09-02 13:20:06 泰克科技

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最近由上海市科学学研究所、中国科学院上海生命科学研究院和上海科学技术情报研究所三家机构共同研究的《全球城市科技创新策源点观察》，发布了15个最可能预见未来的科研方向，其中包括纳米发电机等。

我们的生活环境中充满了各种各样能量，例如振动能、化学能、生物能、太阳能和热能等，但这些能量多数未被利用起来或者利用率极低。基于纳米技术的纳米发电机是基于规则的氧化锌纳米线，在纳米范围内将机械能转化成电能，是世界上最小的发电机。

无处不在的纳米发电机

它的问世完全打破了人们对“发电机”尺寸的认识极限。纳米发电机能实现对环境中特别微小机械能的进行收集和利用。例如，空气或水的流动、引擎的转动、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踩踏、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，都可以带动纳米发电机产生电能。因此，纳米发电机理论为目前实现物联网和传感网络以及大数据提供了理想的电源解决方案。

目前纳米发电机可以分为三类：第一类是压电纳米发电机；第二类是摩擦纳米发电机；第三类为热释电纳米发电机。一般被应用在生物医学、军事、无线通信、无线传感等领域。

在可拉伸和可穿戴电子器件飞速发展的当今时代，研究柔性机械能收集器件具有十分重要的价值和意义。近年，以柔性材料代替聚合物商业薄膜和金属片组装柔性摩擦纳米发电机的研究成为亮点。近来柔性摩擦纳米发电机研究成果不少，例如，普渡大学研发出基于壳聚糖的柔性可降解摩擦纳米发电机，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士研究团队研究了基于仿生水母的摩擦纳米发电机、用于自供电医疗产品的多级纳米结构纤维素纤维基摩擦纳米发电机等。

小信号的精确测试充满挑战

由于纳米发电自身的技术特点，在研究过程中需要测试单位面积机械能产生的电能，测试产生的电压、微小的电流及功率信号，电压基本在几伏甚至几十伏，而电流一般都是uA甚至nA级别，功率在mW甚至uW级别。如何精确测试微小电流及功率信号比较困难，对测试仪器精度和稳定性要求非常高。泰克吉时利公司专注于微小电信号测试，史上多位物理学诺贝尔奖获得者都使用和信赖吉时利测试仪器。在纳米发电研究中，吉时利的产品仍是业内的首选，尤其在微小信号测试值得信赖。
测量灵敏度的理论极限取决于在电路中的电阻所产生的噪声。电压噪声是与电阻、带宽和绝对温度的乘积的平方根成正比的。图中可见，源电阻限制了电压测量的理论灵敏度，也就是说能准确测量一个1Ω源电阻的1uV信号时，如果该信号的源电阻变成1TΩ，则该测量就会变得不可能。因为在源电阻为1MΩ时对于1uV的测量已经接近理论极限了。这时候采用通常的数字万用表是无法完成这类测量的，选择合适的仪器是保证准确测试微小信号前提。