編者按：本文最初發表於2008年1月的《大眾科學》雜誌。我們重新發布這篇文章，是因為作者王中林今天釋出了一項新的研究。
20世紀20年代，發明自動上弦腕錶的鐘表匠提出了一個偉大的想法：機械地從佩戴者移動的手臂中獲取能量，並將其用於重新給手錶上發條。
今天，我們開始創造極小的能量收集器，可以為奈米級裝置的微小世界提供電力，在這個世界中，事物的測量單位是十億分之一米。我們稱這些發電廠為奈米發電機。在微小尺度上發電的能力使我們可以考慮植入式生物感測器，它可以持續監測患者的血糖水平；或者為橋樑等結構提供自主應變感測器；或者用於檢測毒素的環境感測器——所有這些都無需更換電池即可執行。奈米機器人、微機電系統（MEMS）、國土安全甚至行動式個人電子產品都迫切需要能源。很難想象這種微小的發電機最終會發現的所有用途。
支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞報道，方式是 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
研究人員正在探索幾種在微型尺度上發電的不同途徑。選項包括利用隨機振動或運動（例如道路附近的振動或運動）、溫度梯度（例如，地表以下幾米的地面溫度相當恆定）、生物化學以及外部能源，例如超聲波甚至可聽噪聲。
奈米器件和奈米系統的一個關鍵優勢是它們通常以非常低的功率水平執行，範圍在納瓦特到微瓦之間，這使得用於為其供電的奈米發電機成為可能。想想人體可能提供的潛在能源：機械能、熱能、振動能、化學能（以葡萄糖的形式）和迴圈系統的水力能。轉化為電能後，即使是這些能量的一小部分也足以驅動多種小型裝置。
為微型裝置供電
自20世紀90年代後期以來，小型裝置發電方面的研究進展迅速，當時行動式電子裝置的大量湧現吸引了研究人員去尋找新的供電方式。例如，麻省理工學院媒體實驗室的實驗人員利用壓電效應設計了一種能量收集鞋，即某些晶體材料在受到機械應力時會產生電壓。但是，產生有用電量的困難很快促使科學家們去探索能夠滿足MEMS更小電力需求的發電機。這些基於矽的裝置，其尺寸以微米（百萬分之一米）到毫米（千分之一米）為單位測量，已經發現了許多用途，包括用於汽車安全氣囊系統的加速度計和噴墨印表機噴嘴。生物學和化學也為發電提供了機會。
近年來，科學家們使用壓電和電磁換能器製造了小型振動發電機。電磁微型發電機利用移動的磁鐵或線圈在電路中感應出交流電。儘管一些微型發電機已在MEMS的規模上製造出來，但該技術往往需要1到75立方厘米的結構，其工作範圍為50赫茲（每秒週期數）到5千赫茲。典型的基於壓電振動的發電機使用兩層鈦酸鋯鉛梁，其不支撐端有一個質量塊，有點像站在跳板末端的游泳運動員。當重力導致梁向下彎曲時，上層壓電層處於拉伸應力狀態，下層處於壓縮應力狀態。結果是在樑上產生正負電壓。當質量塊來回振盪時，會產生交變電壓。但由於這種能量發生器相對較大，重力在驅動其振盪質量中起著重要作用。
現在，我在佐治亞理工學院的研究小組正在研究奈米級的壓電發電。在奈米尺度下，事物會發生變化。重力在較大的世界中起著至關重要的作用，但在奈米世界中，與化學鍵和分子間引力相比，它只是一個非常小的角色。
重力無關緊要的地方
在奈米世界中，重力無法在有用的尺度上為我們所用。如果試圖構造一個具有奈米級梁的壓電發電機，則重力幾乎不會對維持梁的運動做出貢獻，並且該裝置將無法工作。因此，我們需要另一種方法來構建奈米尺寸的發電機，為自主裝置供電。我們的團隊一直在探索創新的奈米技術，用於將機械能（例如身體運動和肌肉伸展）、振動能（例如聲波和超聲波）和液壓能（例如血液和其他體液的流動）轉化為電能，為奈米器件供電。
我在20世紀90年代後期專注於碳奈米管的研究。我們發明了一些技術，用於使用原位顯微鏡測量單個碳奈米管的機械、電氣和場發射特性。但是我們無法控制奈米管的電學特性。我立刻意識到金屬氧化物是一個新的世界——為什麼不探索那些奈米結構呢？2000年，我開始研究奈米帶，這是一種白色羊毛狀產品，是透過在900至1200攝氏度的氬氣存在下烘烤氧化鋅等金屬氧化物製成的，以及奈米線。
我們的研究重點已轉向排列整齊的氧化鋅奈米線，每根奈米線都是一個完美的六邊形柱狀晶體，使用小型管式爐中的標準氣液固工藝在固體導電基板上生長。我們在藍寶石基板上沉積金奈米顆粒，這些奈米顆粒充當催化劑。當氧化鋅粉末被加熱時，氬氣載氣會流過爐子。然後，奈米線在金顆粒下生長。奈米線的典型直徑為30到100奈米，長度為1到3微米。
在2005年8月左右，當我們測量導線的機電耦合特性時，將機械能轉化為電能的想法出現在我的腦海中。使用原子力顯微鏡（AFM），我們觀察到了一些電壓輸出峰值，但不確定它們是什麼。我們在那年11月進行了系統的研究，瞭解到電壓來自氧化鋅的壓電效應；我們的結果排除了摩擦、接觸或其他混淆因素的影響。下一步是確定單根奈米線的電荷輸出過程。在研究了一本關於半導體器件的書之後，我提出了將成為奈米發電機的執行機制。
氧化鋅具有同時具有壓電和半導體特性的罕見屬性，我們在奈米線中建立和積累壓電電荷時利用了這一特性。我們已經證明，當原子力顯微鏡的導電尖端彎曲筆直的垂直奈米線時，會建立一個應變場，其中拉伸表面顯示正應變，壓縮表面顯示負應變。當尖端掃描過氧化鋅奈米線的頂部時，我們會觀察到每個接觸位置的相應電壓輸出影像中有許多峰值。壓電效應會在奈米線的體積內產生電場，其中導線的拉伸側和壓縮側顯示正負電壓。
想法是先產生的，但我們需要實驗支援。在2005年聖誕節前夕，我設計了一個實驗，以在光學和原子力顯微鏡下直接視覺化大型導線的電壓輸出。我和我的學生做了實驗，在十二月下旬的一個晚上，我們獲得了一些影片作為回報，這些影片直接證明了我的模型。第二天，我在辦公室與宋金輝一起編輯了這段影片。然後，我們將論文傳送給《科學》雜誌發表。
為了在實際應用中發揮作用，我們的奈米發電機需要包含一個奈米線陣列，所有奈米線都要持續產生電力，這些電力可以被收集並輸送到裝置中。要轉化為電力的能量必須以來自環境的波或振動的形式出現，這樣奈米發電機才能獨立無線地執行。我們開發了一種新穎的設計來滿足這些要求。
下一個挑戰是提高奈米發電機的功率。必須實現三個目標：消除原子力顯微鏡的使用，使許多奈米線同時連續地發電，並以間接波（例如超聲波）激發奈米線。我提出了一個使用帶脊電極代替原子力顯微鏡尖端的新設計，並將這個想法告訴了我的博士後助理王旭東。他花了大約四個月的時間進行實驗，才彙編了第一組資料。訊號相當小。從2006年5月到10月，我們專注於奈米發電機的最佳封裝，以提高其輸出。到年底，我們意識到奈米發電機終於可以向科學界報告了。
我們的實驗裝置首次演示了壓電奈米發電機產生的連續直流電。它由一個平行的氧化鋅奈米線陣列和一個帶有脊面的鍍鉑矽電極組成，以代替顯微鏡的尖端。用鉑塗覆電極既提高了其導電性，又使其像二極體一樣工作，僅允許電流從金屬流向半導體。電極以受控的距離放置在奈米線陣列上方，並且可以橫向移動，從而使其從一側到另一側彎曲奈米線。由於其表面有脊，因此該電極就像一個排列整齊的顯微鏡尖端陣列。
靈活的未來
自 2007 年 1 月以來，我們一直全力投入到奈米發電機的改進工作中。我們最初用於生長氧化鋅奈米線的陶瓷或半導體基底堅硬且易碎，例如，這使得它們不適用於需要可摺疊或柔性電源的應用，例如植入肌肉或關節的生物感測器，或內置於鞋子中的發電機。
導電聚合物可以在這裡提供一種可能具有生物相容性的基底。在實驗中，我們發現許多可用的柔性塑膠基底都適合生長氧化鋅奈米線陣列，這最終可能在行動式和柔性電子產品中找到應用。由於基底的柔韌性，奈米線表面輪廓呈波浪狀，導致一些接觸不良。我們認為，在奈米線和基底之間提供合適的結合強度以及最佳化導線間距對於提高放電效率非常重要。
儘管我們的方法已經證明了奈米發電機的原理，但我們必須大幅提高其效能才能使其具有實用性。所有奈米線必須同時且連續地發電，並且所有電力必須被有效地收集和分配。大規模生長氧化鋅奈米線的方法具有成本效益，因為它不需要昂貴的高溫製造工藝。我們研究中面臨的障礙包括學習如何生長出完美均勻的奈米線陣列，使其都能發電，以及如何延長它們的使用壽命。當前奈米發電機的壽命約為 50 小時。裝置失效的主要原因很可能是組裝頂部電極和奈米線陣列的封裝技術。例如，如果電極過於用力地壓在奈米線上，則不會產生電流。我們正在努力改進封裝。
用於生產陣列的過程包括在基底上蒸發一層薄薄的金，它充當奈米線生長的催化劑。氧化鋅晶體看起來有點像沒有樹枝的森林。為了提高奈米線與基底的附著力，我們在生長後在基底上添加了一層薄薄的聚合物，使奈米線的根部部分嵌入其中。我們已經從一個大約六平方毫米大小的奈米發電機中獲得了大約 10 毫伏的電壓輸出和 800 納安的電流輸出。我們還表明，奈米發電機可以串聯排列以提高輸出電壓，並聯排列以提高輸出電流，這與電池或燃料電池等電源的常見做法相同。但是，要產生更高的電壓，我們需要製造高度和直徑相同的奈米線。
奈米發電機可能永遠無法為我們的家庭甚至我們的手電筒供電；它們可提供的電量將非常小。但是，奈米線陣列對於只需要間歇性工作的裝置來說是理想的發電機，例如每分鐘收集和傳輸資料一秒鐘的感測器。在未來幾年，奈米發電機將被用來收集和回收我們日常生活中浪費的能量，例如汽車輪胎中的壓力變化、行駛車輛的機械振動，甚至露營者帳篷的飄動表面產生的能量。想想我們周圍有多少小的能源。