新型摩擦電納米發電機：可利用人體運動能量實現無線供電！

近日，美國克萊姆森大學的科研人員開發出摩擦電納米發電機的無線版本，也稱為「W-TENG」，離利用摩擦電這一綠色能源進行無線供電的目標又更近了一步。

背景

摩擦起電是我們日常生活中經常遇到的一種物理現象，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車時都時常會遇到。但是，摩擦電很難被收集和利用，因此它的價值往往被人們所忽視。

不過，去年筆者曾介紹過中國科學院、重慶大學、美國喬治亞理工學院、台灣科技大學等科研機構的科研人員組成的團隊，在中華民族傳統的剪紙藝術啟發下，利用了摩擦電，開發出一種輕量的、剪紙式樣裝置，採集來自人體運動的能量。

（圖片來源：美國化學會）

其中的核心技術就是：摩擦電納米發電機（TENG）。它能夠採集我們四周的機械能為電子設備充電。舉個例子，未來我們可以在鞋子中安裝摩擦電發電機，只要正常走路，就可以為自己隨身攜帶的手機充電。

接下來，簡單介紹一下TENG 的發電原理：在TENG 的內部電路中，由於摩擦起電效應，兩個摩擦電極性不同的材料薄層之間會發生電荷轉移，從而在二者之間形成電勢差；在TENG 的外部電路中，電子在電勢差驅動下，在分別粘貼在摩擦電材料層背面的兩個電極之間或者電極與地之間流動，從而來平衡這個電勢差。

然而，還是有不少人懷疑摩擦電納米發電機的可行性和實用性。之後，筆者在《可穿戴設備通過人體運動供電，可行嗎？》文章中，介紹了韓國三星綜合技術研究院的一項最研究。該研究證明：摩擦電納米發電機能夠滿足小型可穿戴設備和攜帶型電子設備的能耗需求。

（圖片來源：參考資料【2】）

創新

近日，美國克萊姆森大學納米材料研究所（CNI）的研究人員離使用摩擦電（一種綠色能源）為世界無線供電的目標又更近了一步。

（圖片來源：Ramakrishna Podila / 克萊姆森大學納米材料研究所 ）

在2017年3月，CNI 物理學家小組發明了超簡單的摩擦電納米發電機，簡稱「U-TENG」，是一種由塑料和膠帶簡單製成的小型裝置。它可以通過人體運動和振動產生電力。當這兩種材料結合到一起時，你只需拍拍手或者跺跺腳，就可以產生出被接有電線的外部電路檢測到的電壓。電能通過電路，存儲在電容或者電池中，在需要時再使用。

9個月之後，在一篇發表於《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）的論文中，研究人員展示了一種TENG的無線版本，也稱為「W-TENG」，從而極大地拓展了摩擦電納米發電機技術的應用範圍。

研究團隊再一次由Mallineni 領導，正在通過克萊姆森大學研究基金會為W-TENG申請專利。克萊姆森大學納米材料研究所主任 Apparao Rao 教授，也正在與工業夥伴洽談，開始將W-TENG 集成到能源應用中。

技術

W-TENG 和 U-TENG 在同樣的前提下設計，使用了不親近電子的材料，所以這些材料相互接觸時會產生電壓。

在W-TENG 中，塑料與一種由「石墨烯」和生物可降解聚合物「聚乳酸」製成的纖維多部分發生交換。石墨烯，是一種只有單個原子層厚度的二維材料，也可以稱為「單原子層石墨」，而石墨正是我們常用的鉛筆芯的主要成分。聚乳酸，就其本身而言，很適合用於分離正電荷和負電荷，但是不太適合導電，這也就是為什麼研究人員要用石墨烯配合它。U-TENG 捕獲電子的材料：Kapton膠帶，被特氟龍（Teflon）取代，這種成分經常用於不粘鍋的塗層。

克萊姆森大學物理學系助理教授、論文通訊作者 Ramakrishna Podila 表示：「我們使用特氟龍，是因為它含有許多含氟基團，這些含氟基團都是高度電負性的。這是一個進行比鄰放置和創造高電壓的好辦法。」

為了獲取石墨烯，研究人員將它的母體成分：石墨，暴露於高頻聲波中。然後，這種聲波就像一把刀，將石墨一層一層地切成單層石墨烯，如同一幅撲克牌一樣。這種工藝稱為「聲處理」（sonication），CNI 正是採用這種方法擴大石墨烯產量，以滿足W-TENG 和其他納米材料的研發需求。

（圖片來源：克萊姆森大學）

在將石墨烯-聚乳酸纖維結合到一起之後，研究人員利用了增材製造，也被稱為「3D列印」，將纖維放進3D印表機，然後生產出W-TENG。

（圖片來源：參考資料【3】）

然而，在工業生產之前，Podila 表示還需要進行更多的研究，用環境友好的電負性材料取代特氟龍。對於重新設計來說，有一個候選材料就是MXene，它是一種二維無機化合物，具有過渡金屬元素的導電性和酒精的親水特性。

CNI 的另外一位研究生 Yongchang Dong 領導了對於MXene-TENG 的研究，研究成果於2017年11月發表於《納米能源》（Nano Energy）雜誌。CNI 的Herbert Behlow 和 Sriparna Bhattacharya 也對這些研究作出了貢獻。

價值

最終結果是生成了一種能夠產生高達3000伏電壓的裝置，這個電壓足以為25個標準電氣插頭供電，或者為超大型智能彩色窗戶或者液晶顯示器供電。因為電壓如此高，所以W-TENG 會在自身周圍產生出一個電場，它可以被無線感知。它的電能也可以被無線地存儲到電容和電池中。

論文的首作者、物理和天文學專業的博士生 Sai Sunil Mallineni 表示：「你不僅能夠從中獲取能量，而且你還可以將電場當作一個遙控器。例如，你可以開發W-TENG，並使用它的電場作為『開關』，打開你的汽車庫門，或者激活安全系統，這些都無需電池，是無源且無線的。」

W-TENG 的無線應用很豐富，可以延伸到資源受限的環境中，例如外天空、海洋中甚至是戰場。Podila 表示，例如他們團隊的發明肯定可以應用於慈善事業。

Podila 說：「一些發展中國家需要大量的能源，儘管我們在這樣的環境中，無法訪問電池或者電源。在這些區域中，W-TENG 是一種更加清潔的能源產生方式。」

未來

W-TENG 會對可替代、可再生的能源領域產生影響嗎？Rao 表示這將取決於經濟。Rao 表示：「作為科學家，我們目前只能做這麼多，W-TENG 是否成功還要看經濟狀況。」

關鍵字

摩擦電、納米、能源

參考資料

【1】http://newsstand.clemson.edu/mediarelations/clemson-researchers-blaze-new-ground-in-wireless-energy-generation-for-future-electronic-gadgets/

【2】Kyung-Eun Byun, Min-Hyun Lee, Yeonchoo Cho, Seung-Geol Nam, Hyeon-Jin Shin, Seongjun Park, "Potential role of motion for enhancing maximum output energy of triboelectric nanogenerator," APL Materials May, 10, 2017 (DOI: 10.1063/1.4979955)

【3】Sai Sunil Kumar Mallineni, Yongchang Dong, Herbert Behlow, Apparao M. Rao, Ramakrishna Podila.A Wireless Triboelectric Nanogenerator. Advanced Energy Materials, 2017; 1702736 DOI: 10.1002/aenm.201702736

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