王中林：摩擦纳米发电机

，会上向全球发布了《2016研究前沿》报告。在化学与材料科学领域，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士发明的摩擦纳米发电机位列Top10热点前沿第三位。

摩擦纳米发电机(TENG)由王中林及其团队于2012年首先发明，其目的是利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能。这是一种颠覆性的技术并具有史无前例的输出性能和优点。TENG的发明是机械能发电和自驱动系统领域的一个里程碑式的发现，这为有效收集机械能提供了一个全新的模式。和经典电磁发电机相比，摩擦纳米发电机在低频下的高效能是同类技术无法比拟的。TENG可以用来收集生活中原本浪费掉的各种形式的机械能，同时还可以用作自驱动传感器来检测机械信号。如果把多个TENG 单元集成到网络结构中，它可以用来收集海洋中的水能，可以为大尺度的“蓝色能源”提供一种全新的技术方案。

《摩擦纳米发电机》是首部系统全面地介绍摩擦纳米发电机的四种工作模式，以及相应的理论模型和计算、器件设计及它们在回收人体活动、振动、风能、海洋能、水流等动能中的广泛应用的专著。同时也系统介绍了摩擦纳米发电机在移动/穿戴/柔式电子产品、生物医学器件、传感网络、物联网、环境保护和传感、基础设施检查和蓝色能源等方面的应用实例。

重要的是，，系统总结于本书全球首发。，有可能引领技术革新并深刻改变人类社会。

应用实例节选：

采用传统的电磁感应发电机大规模收集海洋能存在诸多挑战，主要是因为水波的低频率，大面积的分布、波浪峰值的随机性及高成本。本章主要介绍一种用摩擦纳米发电机阵列来收集海洋能的新思路。由于摩擦纳米发电机的高电压输出，此种海洋能采集方式应该具有很好的效率和可行性。摩擦纳米发电机在低频范围的极佳能量采集能力使此种方法在海洋能采集中有着独一无二的优点。

基于常见的高分子材料之间的表面接触起电效应，以及一层很薄的金属作为电极，一个基于网络状结构的摩擦纳米发电机群被提出来进行大规模的海洋能采集。被标识为极其轻便、低成本、对海洋环境的超高抗腐蚀性、基于网络状的摩擦纳米发电机群可以自己漂浮在水体的表面进行海洋能的采集。通过一个滚动的小球的冲击带来的接触分离，摩擦纳米发电机可以将低速、随机的和高力度的任意方向的水波振动转换成电能。

基于网络形状的摩擦纳米发电机系统对水波动能的采集。（a）网络形状摩擦纳米发电机的一个单元的照片；（b）三维结构示意图展示由成千上万个摩擦纳米发电机单元构成的网络结构；（c）摩擦纳米发电机网络在单元数分别为n=1，2，3，4 的整流后电流输出，此处所有单元的电学输出是并联连接；（d）摩擦纳米发电机网络在单元数分别为n=1，2，3，4 的整流后电压输出，此处所有单元的电学输出是并联连接。（e）摩擦纳米发电机网络在单元数分别为n=1，2，3，4 的整流后累计电荷量输出，此处所有单元的电学输出是并联连接；（f）在不同的单元个数下，摩擦纳米发电机网络的峰值功率输出，此处所有单元的电学输出是并联连接（本图已获得美国化学会许可）

所有之前报道的生物机械能收集技术都基于附着在身体上的外界器件。如果人体自己可以作为一个发电材料，能量就可以直接在接触时发出来。根据摩擦序列表，人体皮肤可以被用作一种摩擦起电材料得到相应的摩擦发电器件。但是，摩擦纳米发电机需要金属电极来获得有效能量输出，这并不方便制造在皮肤上。发展单电极摩擦纳米发电机可以解决这个问题，使我们可以从皮肤上收集能量并发展新型接触平板技术。

Yang 等基于周期性的皮肤和带有金字塔结构的PDMS 膜的垂直接触-分离发展了一种皮肤基的发电机。

（a）在ITO 电极上制造的PDMS 膜照片；（b）带有金字塔结构的PDMS 表面的电镜照片；（c）PDMS 表面斜视的电镜照片；（d）PDMS 和水之间接触角的照片；（e）高达1000V的器件测得电压；（f）测得发电机的短路电荷密度；（g，h）在外接电阻100MΩ 下，测得发电机的输出电压和电荷密度（本图已获得美国化学会许可）

体内的摩擦纳米发电机的应用不同于体外环境，更加复杂和具有挑战性。一些决定性问题需要被解决，需要用生物兼容性好的柔软的材料进行仔细的封装。其次，由于里面的可用空间通常狭小而形状不规则，摩擦纳米发电机的尺寸和厚度需要严格地控制。另一个问题是，体内环境很温和，振幅非常小，摩擦纳米发电机必须足够敏感以捕获这样小尺度的运动。用摩擦纳米发电机收集体内生物机械能由Zheng 等首次提出。一个摩擦纳米发电机植入活鼠体内收集其周期性呼吸的能量，直接用于驱动起搏器。这是制造以摩擦纳米发电机为电源的自供电植入式医疗设备的关键一步。摩擦纳米发电机收集能量直接驱动医疗设备并形成自驱动系统是这项工作的主要目的。

自供电起搏器样品原理图。（a）自供电起搏器的结构和照片；（b）起搏器样品的电路图（R1≈0～50kΩ，R2≈0～200kΩ，R3≈0～100kΩ，C1=10μF，C2=0.01μF）；（c）自供电起搏器产生的不同频率的刺激脉冲；（d）植入式摩擦纳米发电机对电容器充电的充电曲线；（e）自供电起搏器刺激小鼠心跳（插图：自供电起搏器调节的小鼠心跳图片）

目录概览

前言

第 1 章  摩擦起电和摩擦发电

第 2 章  垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机

第 3 章  水平滑动式摩擦纳米发电机

第 4 章  单电极模式摩擦纳米发电机

第 5 章  独立层模式摩擦纳米发电机

第 6 章  摩擦纳米发电机的理论模型

第 7 章  定量表征摩擦纳米发电机的品质因数

第 8 章  摩擦纳米发电机收集身体运动能量

第 9 章  摩擦纳米发电机用于振动能采集

第 10 章  摩擦纳米发电机用于收集风能

第 11 章  摩擦纳米发电机网络收集大规模蓝色能源——海洋能

第 12 章  基于摩擦纳米发电机的复合式发电单元

第 13 章  摩擦纳米发电机在自驱动系统和电化学过程中的应用

第 14 章  基于摩擦纳米发电机的自驱动压力传感器和人机交互系统

第 15 章  基于摩擦纳米发电机的振动和生物医学传感

第 16 章  基于摩擦纳米发电机的移动物体自驱动传感器

第 17 章  基于摩擦纳米发电机的自驱动化学/环境传感器

附录A：各章符号定义

附录B：各章缩写定义

附录C：王中林小组在摩擦纳米发电机领域内发表的期刊文章（2012-2016）

（本期编辑：安 静）

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