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我国科学家提出颠覆性海洋能采集方式,纳米发

发布时间:2019-09-24 14:45编辑:生命科学浏览(161)

    摩擦发电“网”住蓝色海洋梦
    我国科学家提出颠覆性海洋能采集方式

    新京报讯6月14日,2019年度“阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖”(Albert Einstein World Award of Science)揭晓,中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、国科大纳米学院院长、美国佐治亚理工学院终身讲席教授王中林斩获这一世界性的大奖,成为首位获此殊荣的华人科学家。

    本报讯(见习记者张晴丹 记者甘晓)海洋能被誉为风能、太阳能等绿色能源之后的“蓝色能源”。然而,海浪发电转换率不高的问题一直困扰着科学家。最近,中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、首席科学家王中林带领他的团队,首次提出了基于摩擦发电机网络结构的海洋能采集方式,颠覆了从前以电磁感应收集海洋能的方式,并有望在五年内实现产业化。“蓝色能源开发不再是梦。”王中林在接受《中国科学报》记者采访时如此表示。

    王中林是国际公认的纳米科学与技术领域的领军型科学家。2006年,王中林成功地研制出世界上最小的发电机——纳米发电机,被誉为是“纳米发电机之父”。他同时也是压电电子学和压电光电子学两大学科的奠基人。

    目前,海洋能的采集主要基于电磁感应的原理,利用海洋水流冲击形成线圈对磁感线的切割来产生电能。不过,这类采集方式存在一些弊端。“构成传统电磁感应机的是重的磁铁和线圈,放到水里后会往下沉,不能自然地浮在水体表面,除非从海底建立支撑塔架,这样大大加大了工程的难度和代价。再加上海里上下翻腾的波浪的不规则运动,使得传统的电磁发电机难以收集波浪能。”王中林说,“但海洋能的大部分机械能都是蕴涵在海水表面的波动能。”

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    美国佐治亚理工学院博士生陈俊也指出,这些磁铁和线圈只能采集水流的能量,方向性比较单一,而且铁质结构很容易受到海水的腐蚀,极大地制约了长期使用的可能性。

    王中林教授。图/中国科学院北京纳米能源与系统研究所网站

    2012年,王中林带领研究小组提出了“摩擦纳米发电机”的概念。摩擦纳米发电机是利用高分子材料通过摩擦起电和静电感应的耦合而实现的。这种发电机不仅能够驱动微纳电子器件工作,还可以给便携式电子设备和家用电器供电,其质量轻、密度小,能漂浮在水面上。

    该奖项评选委员会评价王中林在纳米发电机和自供能系统领域做出了开创性的重大贡献,认为这一领域“将对人类和我们社会的可持续发展产生巨大的利益”,“有望在不久的将来改变世界”。据悉,颁奖典礼将于今年10月2日至4日在日本举行。

    在此基础上,中美两国的研究人员合作发明出由摩擦发电机网络组成的海洋能发电新技术。“摩擦纳米发电机连起来像渔网一样,在海水上下翻腾时可以回收大面积的波浪能。”王中林说。

    最年轻中国科学院外籍院士

    “结构的巧妙是这项技术的一大特色。”作为研究小组主导成员之一的陈俊介绍说,每个器件单元中的塑料球,能够很有效、很灵敏地将海水表面的波动转换成自身的动能。滚动的小球,则能撞击以触发每个最小功能单元,将海水的波动能转化成电能。

    1961年,王中林生于陕西省蒲城县。在他出生两年前的1959年,物理学家理查德·费曼(Richard P. Feynman)发表《底部还有很大空间》(There's Plenty of Room at the Bottom)演讲,“纳米”一词被世界广泛关注。1978年,王中林考取了西北电讯工程学院(西安电子科技大学的前身),学习物理,同时也开启了他的励志“开挂”人生。

    所以,该器件不仅可以对水流的机械能进行回收,还可以漂浮在水面上进行波动能的采集,不仅可以收集大风大浪的机械能,而且对小波动的能量也能进行有效采集。

    在“恶补”英语一年后,他于1982年通过中美联合培养物理类研究生计划,赴美国亚利桑那州立大学就读,1987年7月获得物理学博士学位。1995年,王中林应聘到佐治亚理工学院当副教授,由于没有专用实验室,他只能白天看文献,晚上蹭别人的实验室进行研究。“不能因为条件艰苦而停止研究”,在这样的环境下,王中林用3年时间发表了80多篇论文,并一举获得终身教授的席位。

    “此外,提出网络这种概念,实际上是一种积少成多的方式。”中国科学院北京纳米能源与系统研究所副研究员张弛表示,这种积少成多的作用可以收集巨大的能量,有助于解困能源危机,真正实现环境友好型供电。

    自1992年以来,王中林长期推进中美科技、教育的交流和发展,频繁往返中美两国,培养了多位分布在中国和美国的华人学生、学者。

    从原理上区别于传统电磁感应的摩擦纳米发电机被科学家们视为“颠覆性的技术”。在能源业内人士看来,这项技术适合大规模生产。

    2009年,王中林当选最年轻的中国科学院外籍院士。2010年起,他参与组建中国科学院北京纳米能源与系统研究所。在他的带领下,纳米能源所硕果频出,在领域内处于国际研究领头羊地位。

    据了解,实验测试表明,1平方公里的海洋能输出,可以有望达到1.15兆瓦,相当于点亮10万支10瓦的灯泡,如果做成2万平方公里的发电网络,发电量相当于三峡大坝的输出电量。

    “绊倒你的可能是块金子”

    尽管这项研究仍处于实验室基础研发阶段,“但是,我们应该看到它巨大的潜能,根据实验结果推算,当真正实现大面积收集海洋能时,我们的能源将永远不是问题。”王中林指出。

    2005年的一天,王中林与一位博士生用当时最高级的手段测试纳米材料的压电系数。学生做了一个夏天,得到的结果却和王中林期待的不太一样。是方法错了,假设错了,还是计算错了?他和学生一起反复研究,重新计算,最终发现了一个全新的方向:利用纳米材料发电。一年后,王中林发明了纳米发电机。

    据张弛介绍,研究人员下一步工作是提高输出电量的能力,提高储能效率和设备的可靠性,推进产业化和市场的应用。

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    除了大能源的供电需求,这项技术还可以面向生活,将人体的运动和周围环境风吹草动的机械能进行收集和存储,用于便携式电子器件的供电。

    纳米发电机是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机,是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。图/中国科学院北京纳米能源与系统研究所网站

    现在已经有企业递出了“橄榄枝”来支持这项技术的成果转化。“从今年开始,我们已经有了产业化的立项,预计三年时间,摩擦纳米发电机的相关产品能够真正实现从实验室迈向产业化。”王中林表示。

    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。

    《中国科学报》 (2015-04-02 第1版 要闻)

    “有时候你摔了一跤,但绊倒你的很可能不是砖头,而是一块金子。”后来回忆起这段波折的经历,王中林如此形容。

    研发无需电池的自驱动心脏起搏器

    2012年,王中林带领团队构建了全新的纳米器件“摩擦纳米发电机”。小巧的“摩擦纳米发电机”可以把人走路、说话、心跳,肌肉收缩等运动中由摩擦产生的能量收集起来,转换成电能,为一些设备供电。未来很多装置在身体中的医疗器械就不再需要电池了,因为自驱动本身就是一种可以实现自己发电的技术。这一技术还可以推广使用在安防和老年人监护等方面。

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    利用纳米技术可以把环境中无时不有处处有的能量转换为电能来带动一些小型的电子器件,就可以制造出自驱动的微纳系统。图/中国科学院北京纳米能源与系统研究所网站

    今年年初,国际顶级学术期刊《自然—通讯》(Nature Communications)发表了一篇论文,介绍了王中林及其同事联合研发的一款可植入式自驱动心脏起搏器:无需电池供能,仅从心脏搏动中就能收集足够的能量,确保心脏起搏器工作。这意味着,患者不必再为更换电池失效的起搏器遭受多次手术之苦了。中美科学家团队在猪体内证实,他们的可植入系统不仅可以进行心脏起搏,还能纠正窦性心律不齐。

    爱因斯坦世界科学奖评选委员会称,王中林在纳米发电机和自供能系统研究方面做出了影响深远的开创性贡献,使人类从环境和生物系统中获取能量这一全新的技术成为现实。

    提出颠覆性海洋能采集方式

    王中林另一项备受瞩目的研究是海洋蓝色能源技术,被评选委员会称为“有可能从海浪中获取大量能源以解决世界未来的能源需求。”

    蓝色能源与传统绿色能源相比,拥有地理分布上的优势,海洋覆盖了地球70%的表面。但利用海洋能发电研究领域一直进展缓慢,海洋波力发电开发困难重重。

    海洋能的采集主要基于电磁感应的原理,利用海洋水流冲击形成线圈对磁感线的切割来产生电能。然而,构成传统电磁感应机的是重的磁铁和线圈,放到水中后会往下沉,不能自然地浮在水体表面,除非从海底建立支撑塔架,但这样会加大工程的难度和代价。由于海浪上下翻腾的不规则运动,使得传统的电磁发电机难以收集波浪能。

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    蓝色能源梦想是网状联结数以百万计的可捕获低频海波能量的摩擦纳米发电机。本图是网络状虚拟结构图,右上角是设计的球形纳米发电机。图/中国科学院北京纳米能源与系统研究所网站

    王中林利用摩擦纳米发电机的原理,为收集利用海洋能源提供了新的解决方案。摩擦纳米发电机的输出效率远高于电磁发电机,非常适用于收集蓝色能源,在缓慢流动和随机方向的波流条件下能够稳定输出功率。

    “我们将摩擦发电机做成了球形,像网球一般大小。通过球中套球,外层的球在水中随波浪晃来晃去,里边的球也随波动晃来晃去,就会产生发电所需的能量。并且因为它是球体,所以是无规则的,哪个方向都可以。通过发电球积少成多的规模效应,收集波动能量并发电的可能性大大提高了。”

    对每一位合作者都有积极影响

    除了开创性的科研成果,王中林的个人品质也赢得了评选委员会的高度评价——“他是一位天生的领导者,总是非常善良,鼓舞人心,充满活力,对与他合作的每个人都有积极的影响”。

    评选委员会对他在学术上取得成绩表示钦佩。目前,王中林已经发表论文1500余篇,包括55篇在《自然》、《科学》及其子刊上发表的文章;根据谷歌学术(Google Scholar)的统计,他的论文被引用次数超过20.6万次,标志学术影响力的H指数为226。

    2018年7月23日,王中林因其在纳米发电机理论和技术方面的重大原创性贡献获得了世界能源领域的权威奖项“埃尼奖”,该奖一向被誉为是世界能源领域的“诺贝尔奖”。

    “我在纳米领域已经研究了30年,未来的20年,我还会坚持现在的研究内容。”王中林在今年年初接受采访时表示,“科研就是我的生活,是我快乐的源泉”。

    背景:爱因斯坦世界科学奖 每年仅一人获奖

    爱因斯坦世界科学奖以伟大的科学家阿尔伯特·爱因斯坦的名字命名,象征着国际科学界的崇高荣誉,由世界文化理事会(World Cultural Council)设立。该奖项从1984年开始每年颁发1次,每次获奖人数仅为1人,目的是表彰和鼓励世界科学技术领域的重大研究进展,授予为人类带来福祉的杰出科学家。

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    爱因斯坦世界科学奖奖章。图/中国科学院北京纳米能源与系统研究所网站

    该奖获奖人由来自50个国家和地区的124位世界著名科学家组成的跨学科委员会选出,委员会成员包括25名诺贝尔奖得主。

    之前已有35名科学家获得此奖项,其中包括4位诺贝尔奖得主,即:1995年诺贝尔化学奖得主Sherwood Rowland,1999年诺贝尔化学奖得主Ahmed Zewail,2001年诺贝尔医学奖得主Paul Nurse和2016年诺贝尔化学奖得主J. Fraser Stoddart。

    此外,世界文化理事会还每两年评选一次“爱因斯坦世界艺术奖”、“爱因斯坦世界教育奖”。三个奖项总计已产生了74名获奖人,尚无华人获此殊荣,王中林教授此次获奖开创了华人获得该奖的历史。

    新京报记者 张璐 见习编辑 丁天 校对 卢茜

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