曾经令人生厌的静电,如今要点亮你我的生活?(下)

摘要

目前应用的传感器虽然可以灵敏地探测许多种类的环境变化,但大都需要外界电源的配合才能正常工作。例如已经成为手机和平板电脑不可或缺的一部分的触摸屏,一种主要的工作原理就是使用者触摸屏幕时施加的力导致原本被绝缘体隔开的两块导体发生接触,从而使得它们之间的电阻发生变化。但我们还必须把这两块导体与电源相连,将电阻的变化转化为电路中电流的变化,这样才能感知触摸的发生。

题图

不再需要电源的传感器

许多电子产品要想正常发挥作用,都需要准确感知外界环境的变化,例如温度的升高、化学物质组成的改变、操作者自身的运动等等,这就需要传感器,即能够把这些环境变化转化为电信号的装置。

目前应用的传感器虽然可以灵敏地探测许多种类的环境变化,但大都需要外界电源的配合才能正常工作。例如已经成为手机和平板电脑不可或缺的一部分的触摸屏,一种主要的工作原理就是使用者触摸屏幕时施加的力导致原本被绝缘体隔开的两块导体发生接触,从而使得它们之间的电阻发生变化。但我们还必须把这两块导体与电源相连,将电阻的变化转化为电路中电流的变化,这样才能感知触摸的发生。

虽然类似这样的传感器往往只需要很少的电能就可以工作,考虑到世界各地每时每刻都有不计其数的传感器在工作,总的能源消耗还是相当可观的。而且对外界电源的依赖也导致传感器以及使用传感器的电子产品很难变得更加轻便,在便携式移动设备大行其道的今天,这是很致命的缺陷。因此,研究人员尝试用各种办法让传感器摆脱对电源的依赖。

摩擦起电纳米发电机的出现让人们眼前为之一亮:如果外界环境的变化能够引起摩擦起电现象的发生,从而产生电压或者电流的变化,那么我们不就可以在不需要额外添加电源的情况下感知外界信号了吗?既然摩擦起电纳米发电机是在外力施加和撤除的过程中输出电能的,研究人员很自然地想到,用它来探测物体的运动自然是再合适不过了。

带着这个想法,研究人员进行了大胆的尝试。在一项实验中,他们用透明材料制成一个摩擦起电纳米发电机装置。它看上去与普通的透明塑料片并无两样,把这个装置贴在门把手上,人们根本不会注意到它的存在。但当有人触摸门把手时,手的用力看上去很微弱,却足以引发装置中两种不同的材料发生摩擦产生静电,从而导致整个装置输出的电压发生变化。如果把这个装置与报警器相连,那么电压的变化就可以触发报警器报警,提醒有陌生人闯入[1]。

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利用摩擦起电纳米发电机制成的传感器无需外加电源就可以感知使用者的触摸。图片引自参考文献[1]

随后研究人员又尝试用柔性更好的材料来建造摩擦起电纳米发电机,这样制成的传感器可以贴在使用者的身上。使用者的一举一动,例如胳膊和腿的弯曲,颈部的扭动,甚至吞咽食物引起的肌肉运动,都逃不过摩擦起电纳米发电机的“火眼金睛”——被转化为电信号记录下来[2]。

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利用摩擦起电纳米发电机制成的传感器可以非常灵敏地感知使用者肢体的运动。图片引自参考文献[2]

除了探测使用者的肢体运动,摩擦起电纳米发电机还可以被用来探测环境中许多物质的存在。这又是如何实现的呢?

我们知道,摩擦起电的效果取决于发生接触的两种材料的形状,特别是表面的化学和物理特性。设想我们用两种不同的塑料制成一个摩擦起电纳米发电机,对这个装置不断施加一定大小的外力,这个装置就会输出一定的电压和电流。现在让我们对其中一种塑料的表面进行修饰,让它可以和某种化学物质,例如汞离子,发生化学反应。那么当摩擦起电纳米发电机所在的环境中存在汞离子时,汞离子就会被牢牢吸附到其中一种塑料的表面。当我们再次对装置施加同样大小的外力时,其中一种塑料的表面由于汞离子的吸附,相当于已经变成了完全不同的材料。因此,两种材料发生接触时,表面的电荷密度就有了变化,输出的电压或者电流也就随之改变。通过这种方法,我们可以很灵敏地探测到许多环境污染物的存在,哪怕这些物质的浓度相当低。

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利用摩擦起电纳米发电机检测环境中苯酚的浓度。其基本原理是参与摩擦起电的其中一种材料表面可以吸附苯酚。由于苯酚吸附导致材料表面的性质发生变化,在恒定外力下,装置输出的电流和电压都会发生变化。图片引自参考文献[3]

 把可利用的能量一网打尽

摩擦起电纳米发电机成功地让许多传感器实现了“自给自足”,不过研究人员并不满足与此,而是希望为它招揽来更大的“生意”,希望它像火电、水电、太阳能等发电方式一样,为千家万户提供电能。

在本文上半部分我们提到,摩擦起电纳米发电机仅仅需要非常微弱的外力就可以提供电能,因此许多过去被忽视的能量来源,例如走路时肢体的运动,都可以被利用起来,经过摩擦起电转化为电能。更为有趣的是,最近的分析表明,虽然传统的利用电磁感应的发电机已经被广泛应用,对于频率较低的运动,摩擦起电式发电机将其中的动能转化为电能的效率反而更胜一筹[4]。这方面最典型的例子要数风力发电了。

我们经常能够看到的巨大的风车,就是目前最常用的风力发电机。当强风吹过时,风车的叶片不断旋转,带动线圈反复切割磁场,利用电磁感应现象产生电流。然而当风的级数比较低时,叶片转速很慢,风力发电机就难有用武之地。但如果利用风力使得两块绝缘体反复发生接触,那么利用摩擦起电,我们可以很好地捕捉蕴藏在微风中的能量[5,6]。而且与传统的风力发电机相比,摩擦起电式纳米发电机更为轻薄,可以节省大量的原材料,甚至可以和其他的发电方式整合到一起。因此,摩擦起电式纳米发电机或许和目前的风力发电机互补,更好地利用风能。

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利用摩擦起电实现风力发电的一种方式:在风的作用下,两块绝缘体不断发生接触,从而不断产生电流。图片引自参考文献[6]

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在这个实验装置中,研究人员将摩擦起电纳米发电机与太阳能电池结合起来,实现风能与太阳能的同时利用。图片引自参考文献[7]

 

除了利用风能发电,另一个非常适合摩擦起电纳米发电机的场合是为植入体内的用于医疗的电子设备提供电能。像心脏起搏器这样植入体内的电子装置,在使用时不可避免要面对的一个问题是当电池电源耗尽时,使用者难免要经受皮肉之苦——通过手术更换电池。解决这个问题的一条途径自然是在降低植入式电子设备的能耗的同时开发容量更大的电池。但也有人另辟蹊径,提出把摩擦起电纳米发电机植入体内,靠组织器官的运动引发摩擦起电,从而源源不断地为植入式设备供电。在2014年,研究人员把这样的装置植入到大鼠胸部的皮下,利用呼吸时胸腔的运动来引发摩擦起电纳米发电机为心脏起搏器供电, 虽然整个装置能提供的电能还比较有限,但仍然是非常可贵的成绩[8]。两年之后,研究人员又用生物可降解材料制成能够植入体内的摩擦起电纳米发电机。这样的装置非常适合于只需要暂时在体内工作的电子设备,当任务完成后,整个植入式设备就可以被降解成无毒无害的物质排出体外[9]。

当然,作为一种诞生时间不长的新技术,摩擦起电纳米发电机要想真正投入应用,还需要解决许多实际的问题,例如装置如何有效地封装、耐久性如何、输出的电能如何储存等等。而且可以肯定的是,这一技术即便实现广泛应用,也不大可能替代目前的发电手段,而更多地是作为现有技术的一种补充。不过即便前进的路上充满挑战,我们还是给这种新技术多一些期待吧。曾经令人无比厌恶的静电,或许在不远的将来就要照亮你我的生活。

 

参考文献

[1] Guang Zhu, Wei Qing Yang, Tiejun Zhang, Qingshen Jing, Jun Chen, Yu Sheng Zhou, Peng Bai, and Zhong Lin Wang, “Self-Powered, Ultrasensitive, Flexible Tactile Sensors Based on Contact Electrification”, Nano Letters, 2014, 14, 3208

[2] Po-Kang Yang, Long Lin, Fang Yi, Xiuhan Li, Ken C. Pradel, Yunlong Zi, Chih-I Wu, Jr-Hau He, Yue Zhang, and Zhong Lin Wang, “A Flexible, Stretchable and Shape-Adaptive Approach for Versatile Energy Conversion and Self-Powered Biomedical Monitoring”, Advanced Materials, 2015, 27, 3817

[3] Zhaoling Li, Jun Chen, Jin Yang, Yuanjie Su, Xing Fan, Ying Wu, Chongwen Yub and Zhong Lin Wang, “β-cyclodextrin enhanced triboelectrification for self-powered phenol detection and electrochemical degradation”, Energy & Environmental Science, 2015, 8, 887

[4] Yunlong Zi, Hengyu Guo, Zhen Wen, Min-Hsin Yeh, Chenguo Hu, and Zhong Lin Wang, “Harvesting Low-Frequency (<5 Hz) Irregular Mechanical Energy: A Possible Killer Application of Triboelectric Nanogenerator”, ACS Nano, 2016, 10, 4797

[5] Lei Zhang , Binbin Zhang , Jun Chen , Long Jin , Weili Deng , Junfeng Tang , Haitao Zhang ,Hong Pan , Minhao Zhu , Weiqing Yang , and Zhong Lin Wang, “Lawn Structured Triboelectric Nanogenerators forScavenging Sweeping Wind Energy on Rooftops”, Advanced Materials, 2016, 28, 1650

[6] Zhenfu Zhao, Xiong Pu, Chunhua Du, Linxuan Li, Chunyan Jiang, Weiguo Hu,and Zhong Lin Wang, “Freestanding Flag-Type Triboelectric Nanogenerator for Harvesting High-Altitude Wind Energy from Arbitrary Directions”, ACS Nano, 2016, 10, 1780

[7] Shuhua Wang, Xue Wang, Zhong Lin Wang, and Ya Yang, “Efficient Scavenging of Solar and Wind Energies in a Smart City”, ACS Nano, 2016, 10, 5696

[8] Qiang Zheng, Bojing Shi, Fengru Fan, Xinxin Wang, Ling Yan, Weiwei Yuan, Sihong Wang, Hong Liu , Zhou Li, and Zhong Lin Wang, “In Vivo Powering of Pacemaker by Breathing-Driven Implanted Triboelectric Nanogenerator”, Advanced Materials, 2014, 26, 5851

[9] Qiang Zheng, Yang Zou, Yalan Zhang, Zhuo Liu, Bojing Shi, Xinxin Wang, Yiming Jin, Han Ouyang, Zhou Li and Zhong Lin Wang, “Biodegradable triboelectric nanogenerator as a life-time designed implantable power source”, Science Advances, 2016, 2, e1501478

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