摩擦納米發電機

項意恣

在現代科技的推動下，智能產品在我們日常生活中的地位越來越高。谷歌眼鏡、蘋果手表、智能手環等一系列可穿戴電子產品給我們的生活帶來了極大的便利，但同時也帶來了新的煩惱。電子產品的使用離不開充電，即使像智能手環這類續航時間相對較長的產品，在使用一段時間之后也需要充電，但我們并不是時時刻刻都會記得充電，出門在外，電源也不是隨時隨地都能夠得到。而摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator， TENG）的出現，實現將機械能轉換為電能，讓電子產品不充電也能持續工作。

小身軀大能量的摩擦納米發電機

中學上物理課的時候大家可能都做過一個小實驗，用絲綢摩擦玻璃棒后馬上去觸碰驗電器的金屬球，這時候金屬箔會張開，這是因為絲綢和玻璃棒兩種材料束縛電子的能力不同，在摩擦過程中發生了電子的轉移，玻璃棒和絲綢帶上了等量相反的電荷;再用帶電的玻璃棒去靠近原本不帶電的金屬球，由于電荷之間的相互作用，會導致金屬體內的電荷重新分布，異種電荷被吸引，同種電荷被排斥，這種現象稱為靜電感應。金屬箔因為帶上了相同的電荷，所以排斥而張開。基于這兩個原理，王忠林院士在2012年成功研制出了摩擦納米發電機[1]。

摩擦納米發電機主要由摩擦發電層和靜電感應層兩部分構成[2]。其中，摩擦發電層由兩層不同的材料構成，比如，絲綢和玻璃棒，這兩種材料束縛電子的能力具有差異性;靜電感應層是位于摩擦發電層后的電極，主要用于靜電感應。在外力作用下，兩個相對的摩擦發電層發生摩擦，產生電荷轉移，帶上等量異種電荷;當兩者發生分離后，由于靜電感應效應驅動外部電路中的電子發生定向移動，就能產生電流，達到發電效果。

能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，只能從一個物體傳遞給另一個物體，而且能量的形式也可以互相轉換，這被稱為能量守恒定律。在摩擦納米發電機的發電過程中，也存在著能量守恒，即外力作用導致兩個摩擦發電層發生相對運動，從而導致電荷轉移，再在靜電感應作用下產生電流，這是一個機械能轉換為電能的過程。而在自然界中，機械能廣泛存在，若利用摩擦納米發電機將其加以轉換為電能，其收益將會不可估量。

神奇的人體運動能量轉換

摩擦納米發電機能夠收集的機械能有人體運動能、風能、聲波能、海洋能等。在這些外力作用下，通過摩擦將其轉化為電能。與大多數傳統發電機的動力來源于不可再生能源相比，摩擦納米發電機利用機械能發電具有經濟性好、適用性強、清潔環保等優勢。其中，人體運動能持續性強，可利用范圍廣，包括行走、跑步、打字、觸摸手機屏幕，甚至眨眼、呼吸以及心臟跳動等。比如，一個正常身材男子跑步1分鐘可以產生300～510 J能量，而智能手機一天消耗的電能約為60 J能量，所以采集人體日常運動產生的機械能就可以滿足絕大部分智能電子設備的能源供給[3]。

自2012年納米摩擦發電機被發明以來，科學家不斷探索，希望能利用摩擦納米發電機將人體運動能轉化為電能，實現對日常使用的電子產品的能源供給。比如，收集心臟跳動、呼吸肌運動等生物機械能并將其轉化為電能的植入式摩擦納米發電機。這種植入式摩擦納米發電機對有源植入式醫療器件的發展將會是巨大的推動力，包括心臟起搏器、腦起搏器、神經刺激器、人工耳蝸等。

以心臟起搏器為例，裝有心臟起搏器的患者平均佩戴時間大約為20年，由于心臟起搏器的電池容量有限，因此，在這20年間，為了保證起搏器的正常工作，患者需要更換電池三次左右，而每次更換，患者需要承擔昂貴的手術費以及一定的手術風險。若把摩擦納米發電機植入人體內，將心臟跳動或者呼吸肌運動產生的機械能轉化為電能，為起搏器的工作提供動力，更換電池的難題也就迎刃而解[4]。令人振奮的是，目前已有實驗將摩擦納米發電機成功植入到老鼠和小型豬的體內，將收集小鼠呼吸肌運動的機械能和豬心跳動的機械能轉化為電能，成功給心臟起搏器供能。

“變廢為寶”，魚鱗助力制作摩擦納米發電機

摩擦納米發電機具有極大的應用潛力，但摩擦發電層所用材料多為昂貴的金屬或不可降解的聚合物，為了進一步擴展摩擦納米發電機的應用前景，尋找經濟環保性能高的材料來替代舊材料，成為了科學家致力的目標。近年來的研究表明，我們日常生活中經常丟棄的魚鱗，其中所含的魚明膠可以作為摩擦發電層的材料，為尋找新的替代材料帶來了曙光。

明膠是一種常見的生物高聚物，由動物的皮、骨、鱗等含膠原蛋白豐富的組織經過預處理轉化后，在適當溫度下提取加工而成。從魚類組織中提取的明膠稱為魚明膠。魚明膠因為具有乳化性、起泡性、成膜性等獨特的功能特性，可以作為膠凝劑、穩定劑、乳化劑、增稠劑、發泡劑等試劑，被廣泛應用于食品、醫藥、照相、電子以及化妝品行業[5]。

中國科學院院士黃維和西北工業大學柔性電子研究院于海東教授團隊發現魚明膠制成的魚明膠薄膜具有很強的給電子能力，作為發電機的摩擦生電層，在發生相對運動時產生的電勢強而穩定，明顯高于用鋁箔、聚對苯二甲酸乙二醇酯以及薄紙等常用正極摩擦材料。進一步的實驗表明，用手指對用魚明膠制成的發電機進行周期性按壓，可以直接點亮50盞串聯的LED燈。并且魚明膠薄膜對外力的作用尤為敏感，特別適用于感知一些輕微的運動，比如關節活動、呼吸情況等生理活動，在下一代可穿戴電子設備以及檢測人體生理信號方面具有很高的應用價值[6]。

除了魚明膠薄膜，相信在不久的將來會有越來越多新型經濟環保的材料被研發出來，摩擦納米發電機的應用也會越來越廣。

參考文獻

[1] FAN F R， TIAN Z Q， ZHONG L W. Flexible triboelectric generator[J]. Nano Energy， 2012，1（2）：328-334.

[2] 畢晨，安一博，苑華翯，紀曉婧，許國賀，馬晶軍. 摩擦納米發電機及其應用[J]. 微納電子技術， 2020，57（3）：169-182+222.

[3] BYUN K E， LEE M H， CHO Y， NAM S G， SHIN H J， PARK S. Potential role of motion for enhancing maximum output energy of triboelectric nanogenerator[J]. Apl Materials， 2017，5（7）：074107.

[4] 劉卓， 王玲， 李虎， 鄒洋， 石波璟， 歐陽涵， et al. 生命不止，能量不息： 植入式摩擦納米發電機的研究與應用[J]. 科技導報， 2017，35（2）：65-71.

[5] 王書展， 陳復生， 楊宏順， 賴少娟. 魚明膠的功能特性與應用[J]. 明膠科學與技術，2013，33（3）：109-114.

[6] HAN Y J， HAN Y F， ZHANG X， LI L， HUANG W. Fish gelatin-based triboelectric nanogenerator for harvesting of biomechanical energy and self-powered sensing of human physiological signals[J]. ACS Applied Materials & Interfaces， 2020.