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自我供電新趨勢:奈米發電機曙光初露

上網時間: 2006年06月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:nanogenerator  奈米發電機  壓電  氧化鋅  自我供電 

根據喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的研究人員稍早前所做的一項展示,首個奈米級壓電發電機(nanogenerator)將可望運用日常環境中的運動為小型設備供電。

「我們的研究首次實現了奈米級能量轉換,」喬治亞理工學院的材料科學暨工程學教授Zhong Lin Wang說。「我們的壓電奈米發電機轉換振動能量,將來自於聲學或超音波、水力能量、或來自體液或血液流動的能量轉換為電能,從而在無需使用電池情況下為小型設備供電。」

為證實其研究,Wang將奈米級氧化鋅壓電奈米線陣列與藍寶石基板垂直排列,並結合了材料的壓電與半導體特性。雖然Wang的研究小組尚未開發出一種無需電池的設備,於是他們採用一個原子力顯微鏡(AFM)來展示壓電半導體陣列的機械運動狀態,以及其如何為未來的無電池設備充電。

「我們的首個展示證實了如何結合壓電與半導體特性,以控制像生物感測器等無線設備的充電及放電過程,這種設備可能會植入人體,且無需電池就能自我供電,」Wang說。

這項展示顯示,壓電奈米發電機距離為商用化設備供電還需數年時間,但重點是其發展潛力。以奈米級壓電材料將機械能量轉換為電能將為未來的無線應用奠定基礎,該研究小組表示。除了簡化的醫療植入裝置外,壓電奈米發電機還能為遠端感測器提供動力,甚至為傳統電池充電。例如,研究人員還設想在野外的士兵可穿著內建奈米發電機的制服,便能透過其正常的身體運動為其通訊系統電池充電。

「奈米發電機可望成為即時的可植入性生物感測、生物醫療監控與生物檢測等應用基礎,而且在防禦及一般民用市場具備極大潛力,」Wang說。他同時指出,奈米發電機「還能透過自環境中獲得能量,建構出一種無線、自我供電的感測器。」

壓電材料是由居里夫婦(Pierre Curie與Jacques Curie)發現,他們在1880年首次展示了如何透過運動產生電能,並建構了全球首個壓電感測器。之後一年,Pierre Curie的兄弟發現了將運動從施加的電能轉換為另一種型態的作用,稱之為逆變效應。這些壓電技術的展示讓法國的軍事科學家在1917年建構出全球首個超音波潛水艇探測器,這就是聲納的原型。

當時,壓電材料必須從石英體中開採;這些石英體仍可作為頻率參考與彈性測試器等用途,同時可在聲學全像技術中用以探測結構中的微小缺陷。然而,今天的壓電材料能在實驗室中製造,而且能實現各式各漾的合成複合物,從陶瓷變換器、麥克風、加速計、起動器到表面聲波濾波器都包含在內。合成的壓電材料同時可作為取代螺線管的固態裝置,而且可作為微機電機系統的靜電「肌肉」。

Wang偏愛的材料是氧化鋅,由於其結晶結構為非對稱,因此這種材料可作為壓電半導體。單晶體氧化鋅分子永遠將其氧離子端與基板垂直排列,而鋅則呈現直立,與表面垂直。由於鋅帶正電荷,而氧離子帶負電荷,結果將形成靜電極化──個垂直的偶極距將永久成為極化表面。

這種壓電材料的永久極化能賦予它們在變形時產生電能的獨特能力,如使用感測器時;而當透過外部電能驅動時則產生物理(或外在)形變畸變,如使用壓電型揚聲器。基本上,將材料彎曲以在單端上集中電荷並在反面的表面上延展相反的電荷,將能在壓電材料中實現內部的ac操作。

2003年,Wang曾經展示過氧化鋅壓電材料,並可製作成奈米彈簧(nanospring)。他利用固態蒸氣壓蒸發製程,在具有氬氣與1,350℃的真空環境下沈澱出高純度氧化鋅粉末以製造這種材料。經過測量,Wang的奈米彈簧寬僅10~60奈米,厚僅5~20nm,其線圈直徑經測量為500~800nm,且長度可達數百微米。他同時對這些奈米彈簧進行了功能化,並證實一些特殊物質可能使其應用於醫療診斷。

Wang在他的新研究中使用了相同的氧化鋅材料,並使它們形成垂直生長在藍寶石基板上的奈米線陣列。這些奈米線高約200~500nm,寬約20~40nm。透過在藍寶石基板上播撒金奈米粒子作為催化劑,這些奈米線將以100nm的間距成長。每當奈米線偏斜時,他們便會在朝向彎曲的一端集中電荷,當這種現象消失時,便會來回地引發電流以控制奈米線的成長。

Wang用原子力顯微鏡證實了其發電能力,他用針尖撥動奈米線使之變形。當針尖迅速自變形的奈米線一端移開時,變形奈米線就開始來回地振動,因而產生電流。

這些奈米線已證實其耐久性足以彎曲達50度而不會斷裂。Wang估計,約30%的輸入機械能量將被轉換成電能。

Wang同時在北京大學與中國奈米科學國家中心任職。他在喬治亞理工學院與博士候選人Jinhui Song共同進行研究。

Wang的下一步是建構一種真正可發電的材料,這種材料將可產生更多電能。小型設備僅需數微安培的電力,這可透過約10平方微米的小型奈米發電機陣列來提供,Wang說。

然而,Wang希望展示能夠整合以應對更大供電需求的大型奈米發電機陣列。

「未來,我們希望利用生長在金屬薄片、可撓性有機塑膠基板、陶瓷基板與複合物半導體等基板上的奈米材料,製造出大功率輸出的發電機,」Wang說。

國家科學基金會、NASA太空梭系統計劃與美國國防部先進計劃研究局均贊助了Wang的研究小組。

(R. Colin Johnson)




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