摩擦纳米发电机

项意恣

在现代科技的推动下，智能产品在我们日常生活中的地位越来越高。谷歌眼镜、苹果手表、智能手环等一系列可穿戴电子产品给我们的生活带来了极大的便利，但同时也带来了新的烦恼。电子产品的使用离不开充电，即使像智能手环这类续航时间相对较长的产品，在使用一段时间之后也需要充电，但我们并不是时时刻刻都会记得充电，出门在外，电源也不是随时随地都能够得到。而摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator， TENG）的出现，实现将机械能转换为电能，让电子产品不充电也能持续工作。

小身躯大能量的摩擦纳米发电机

中学上物理课的时候大家可能都做过一个小实验，用丝绸摩擦玻璃棒后马上去触碰验电器的金属球，这时候金属箔会张开，这是因为丝绸和玻璃棒两种材料束缚电子的能力不同，在摩擦过程中发生了电子的转移，玻璃棒和丝绸带上了等量相反的电荷;再用带电的玻璃棒去靠近原本不带电的金属球，由于电荷之间的相互作用，会导致金属体内的电荷重新分布，异种电荷被吸引，同种电荷被排斥，这种现象称为静电感应。金属箔因为带上了相同的电荷，所以排斥而张开。基于这两个原理，王忠林院士在2012年成功研制出了摩擦纳米发电机[1]。

摩擦纳米发电机主要由摩擦发电层和静电感应层两部分构成[2]。其中，摩擦发电层由两层不同的材料构成，比如，丝绸和玻璃棒，这两种材料束缚电子的能力具有差异性;静电感应层是位于摩擦发电层后的电极，主要用于静电感应。在外力作用下，两个相对的摩擦发电层发生摩擦，产生电荷转移，带上等量异种电荷;当两者发生分离后，由于静电感应效应驱动外部电路中的电子发生定向移动，就能产生电流，达到发电效果。

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体传递给另一个物体，而且能量的形式也可以互相转换，这被称为能量守恒定律。在摩擦纳米发电机的发电过程中，也存在着能量守恒，即外力作用导致两个摩擦发电层发生相对运动，从而导致电荷转移，再在静电感应作用下产生电流，这是一个机械能转换为电能的过程。而在自然界中，机械能广泛存在，若利用摩擦纳米发电机将其加以转换为电能，其收益将会不可估量。

神奇的人体运动能量转换

摩擦纳米发电机能够收集的机械能有人体运动能、风能、声波能、海洋能等。在这些外力作用下，通过摩擦将其转化为电能。与大多数传统发电机的动力来源于不可再生能源相比，摩擦纳米发电机利用机械能发电具有经济性好、适用性强、清洁环保等优势。其中，人体运动能持续性强，可利用范围广，包括行走、跑步、打字、触摸手机屏幕，甚至眨眼、呼吸以及心脏跳动等。比如，一个正常身材男子跑步1分钟可以产生300～510 J能量，而智能手机一天消耗的电能约为60 J能量，所以采集人体日常运动产生的机械能就可以满足绝大部分智能电子设备的能源供给[3]。

自2012年纳米摩擦发电机被发明以来，科学家不断探索，希望能利用摩擦纳米發电机将人体运动能转化为电能，实现对日常使用的电子产品的能源供给。比如，收集心脏跳动、呼吸肌运动等生物机械能并将其转化为电能的植入式摩擦纳米发电机。这种植入式摩擦纳米发电机对有源植入式医疗器件的发展将会是巨大的推动力，包括心脏起搏器、脑起搏器、神经刺激器、人工耳蜗等。

以心脏起搏器为例，装有心脏起搏器的患者平均佩戴时间大约为20年，由于心脏起搏器的电池容量有限，因此，在这20年间，为了保证起搏器的正常工作，患者需要更换电池三次左右，而每次更换，患者需要承担昂贵的手术费以及一定的手术风险。若把摩擦纳米发电机植入人体内，将心脏跳动或者呼吸肌运动产生的机械能转化为电能，为起搏器的工作提供动力，更换电池的难题也就迎刃而解[4]。令人振奋的是，目前已有实验将摩擦纳米发电机成功植入到老鼠和小型猪的体内，将收集小鼠呼吸肌运动的机械能和猪心跳动的机械能转化为电能，成功给心脏起搏器供能。

“变废为宝”，鱼鳞助力制作摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机具有极大的应用潜力，但摩擦发电层所用材料多为昂贵的金属或不可降解的聚合物，为了进一步扩展摩擦纳米发电机的应用前景，寻找经济环保性能高的材料来替代旧材料，成为了科学家致力的目标。近年来的研究表明，我们日常生活中经常丢弃的鱼鳞，其中所含的鱼明胶可以作为摩擦发电层的材料，为寻找新的替代材料带来了曙光。

明胶是一种常见的生物高聚物，由动物的皮、骨、鳞等含胶原蛋白丰富的组织经过预处理转化后，在适当温度下提取加工而成。从鱼类组织中提取的明胶称为鱼明胶。鱼明胶因为具有乳化性、起泡性、成膜性等独特的功能特性，可以作为胶凝剂、稳定剂、乳化剂、增稠剂、发泡剂等试剂，被广泛应用于食品、医药、照相、电子以及化妆品行业[5]。

中国科学院院士黄维和西北工业大学柔性电子研究院于海东教授团队发现鱼明胶制成的鱼明胶薄膜具有很强的给电子能力，作为发电机的摩擦生电层，在发生相对运动时产生的电势强而稳定，明显高于用铝箔、聚对苯二甲酸乙二醇酯以及薄纸等常用正极摩擦材料。进一步的实验表明，用手指对用鱼明胶制成的发电机进行周期性按压，可以直接点亮50盏串联的LED灯。并且鱼明胶薄膜对外力的作用尤为敏感，特别适用于感知一些轻微的运动，比如关节活动、呼吸情况等生理活动，在下一代可穿戴电子设备以及检测人体生理信号方面具有很高的应用价值[6]。

除了鱼明胶薄膜，相信在不久的将来会有越来越多新型经济环保的材料被研发出来，摩擦纳米发电机的应用也会越来越广。

参考文献

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

[2] 毕晨，安一博，苑华翯，纪晓婧，许国贺，马晶军. 摩擦纳米发电机及其应用[J]. 微纳电子技术， 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] 刘卓， 王玲， 李虎， 邹洋， 石波璟， 欧阳涵， et al. 生命不止，能量不息： 植入式摩擦纳米发电机的研究与应用[J]. 科技导报， 2017，35（2）：65-71.

[5] 王书展， 陈复生， 杨宏顺， 赖少娟. 鱼明胶的功能特性与应用[J]. 明胶科学与技术，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.