20世紀20年代，那位設計出自動上鍊腕錶的鐘表匠，提出了一個偉大的想法：從佩戴者手臂的運動中機械地收集能量，並將其用於為腕錶發條上弦。
今天，我們開始創造極其微小的能量收集器，可以為奈米級裝置的微觀世界供電，在奈米級世界中，物體的尺寸以十億分之一米為單位進行測量。我們稱這些發電廠為奈米發電機。在微小尺度上製造電力的能力，使我們能夠構想可植入的生物感測器，可以持續監測患者的血糖水平，或用於橋樑等結構的自主應變感測器，或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。奈米機器人技術、微機電系統 (MEMS)、國土安全甚至行動式個人電子裝置都迫切需要能源。很難想象如此微小的發電機最終可能找到的所有用途。
研究人員正在探索在微型尺度上發電的幾種不同途徑。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，地下幾米的地面溫度相當恆定）、生物化學以及超聲波甚至可聽噪聲等外部能源。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
奈米裝置和奈米系統的一個關鍵優勢是，它們通常在非常低的功率水平下執行，範圍在納瓦到微瓦之間，這使得為它們供電的奈米發電機成為可能。想想人體可以提供的潛在能量來源：機械能、熱能、振動能、化學能（以葡萄糖的形式）以及迴圈系統的液壓能。如果將這些能量轉化為電力，即使是一小部分也足以驅動許多型別的小型裝置。
微小裝置的電力
自20世紀90年代末以來，小型裝置發電方面的工作進展迅速，當時行動式電子裝置的普及吸引了研究人員尋找為其供電的新方法。例如，麻省理工學院媒體實驗室的實驗人員設計了一種利用壓電效應的能量收集鞋，壓電效應是指某些晶體材料在受到機械應力時會產生電壓。但是，產生有用電量的難度很快促使科學家們探索能夠滿足MEMS更小電力需求的發電機。這些矽基裝置的尺寸以微米（百萬分之一米）到毫米（千分之一米）為單位進行測量，已發現許多用途，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，科學家們已經使用壓電和電磁換能器構建了小型振動式發電機。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流。儘管一些微型發電機已在MEMS的尺度上製造出來，但該技術往往需要1到75立方厘米的結構，這些結構在50赫茲（每秒週期數）到5千赫茲的振動範圍內工作。典型的壓電振動式發電機使用雙層鋯鈦酸鉛梁，其無支撐端有一個質量塊，有點像跳水板末端的游泳運動員。當重力導致梁向下彎曲時，上壓電層處於拉伸應變狀態，下層處於壓縮應變狀態。結果是在樑上產生正負電壓。當質量塊來回振盪時，就會產生交變電壓。但是，由於這種能量發生器相對較大，因此重力在驅動其振盪質量塊方面非常重要。
現在，我在佐治亞理工學院的研究小組正在奈米尺度上進行壓電發電研究。在奈米尺度上，情況發生了變化。與化學鍵合力和分子間吸引力相比，在較大的世界中起著關鍵作用的重力在奈米世界中只是一個非常小的角色。
重力無關緊要之處
在奈米世界中，重力無法在有用的尺度上為我們所用。如果嘗試構建一個奈米級梁的壓電發電機，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拉伸）、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，從而為奈米裝置供電。
我的研究在20世紀90年代末專注於碳奈米管。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。我立即意識到金屬氧化物是一個新世界——為什麼不探索這些奈米結構呢？2000年，我從奈米帶開始，這是一種類似白色羊毛的產品，透過在900至1200攝氏度的氬氣中烘烤氧化鋅等金屬氧化物製成，以及奈米線。
我們的研究已轉向對齊的氧化鋅奈米線，每根奈米線都是一個完美的六面柱狀晶體，使用標準的氣液固工藝在小型管式爐中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，作為催化劑。當氧化鋅粉末被加熱時，氬氣載氣流過爐子。然後，奈米線在金顆粒下方生長。奈米線的典型直徑為30至100奈米，長度為1至3微米。
將機械能轉化為電能的想法大約在2005年8月進入我的腦海，當時我們正在測量導線的機電耦合特性。使用原子力顯微鏡 (AFM)，我們觀察到一些電壓輸出峰值，但我們不確定它們是什麼。我們在當年11月進行了系統的工作，並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、接觸或其他混淆性人為因素的貢獻。下一步是確定單根奈米線的電荷輸出過程是什麼。在研究了一本關於半導體器件的書籍後，我提出了後來成為奈米發電機的執行機制。
氧化鋅具有壓電和半導體特性的罕見屬性，我們將其用於在奈米線中產生和積累壓電電荷。我們已經證明，當原子力顯微鏡的導電尖端彎曲一根筆直的垂直奈米線時，會建立一個應變場，拉伸表面顯示正應變，壓縮表面顯示負應變。當尖端掃描氧化鋅奈米線的頂部時，我們觀察到每個接觸位置的相應電壓輸出影像中都有許多峰值[參見第84頁的方框]。壓電效應在奈米線的體積內部產生電場，導線的拉伸側和壓縮側顯示正電壓和負電壓。
想法先出現，但我們需要實驗支援。就在2005年聖誕節前，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。我的學生和我做了實驗，在十二月下旬的一個晚上，我們獲得了幾個影片，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部影片。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，所有奈米線都持續發電，這些電可以被收集並輸送到裝置。並且要轉化為電能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。我提出了一個使用脊狀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實驗才彙編了第一批資料。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，以增強其輸出。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。它由平行的氧化鋅奈米線陣列和帶有脊狀表面的鍍鉑矽電極組成，取代了顯微鏡的尖端。在電極上鍍鉑既增強了其導電性，又使其像二極體一樣工作，只允許電流沿一個方向流動，從金屬到半導體。電極以受控距離放置在奈米線陣列上方，並且可以橫向移動，使其從一側到另一側彎曲奈米線。由於其表面脊狀結構，電極就像排列整齊的顯微鏡尖端陣列。
靈活的未來
自2007年1月以來，我們一直全身心地投入到改進我們的奈米發電機中。我們最初用於生長氧化鋅奈米線的陶瓷或半導體基板堅硬而易碎，例如，使其不適合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。
在這裡，導電聚合物可以提供一種可能具有生物相容性的基板。在實驗中，我們發現許多可用的柔性塑膠基板都適合生長氧化鋅奈米線陣列，最終可能會在行動式和柔性電子產品中找到應用。由於基板的柔韌性，奈米線表面輪廓呈波浪狀，導致一些接觸缺失。我們認為，在奈米線和基板之間提供適當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連續發電，並且所有電力都必須有效地收集和分配。大規模生長氧化鋅奈米線的方法可能是具有成本效益的，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完全均勻的奈米線陣列，使其都能發電，以及如何延長其工作壽命。當前奈米發電機的使用壽命約為50小時。裝置故障的主要原因可能是用於組裝頂部電極和奈米線陣列的封裝技術。例如，如果電極壓在奈米線上太緊，則不會產生電流。我們正在努力改進封裝。
用於生產陣列的工藝包括在基板上蒸發一層薄薄的金，金作為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板的附著力，我們在生長後在基板上添加了一層薄薄的聚合物，以便奈米線的根部部分嵌入其中。我們已經從大約六平方毫米大小的奈米發電機中獲得了約10毫伏和800納安的電輸出。我們還表明，奈米發電機可以串聯排列以提高輸出電壓，並可以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用做法相同。但是，為了產生更高的電壓，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房屋甚至手電筒供電；從它們那裡獲得的電量將非常小。但是，奈米線陣列可能是需要間歇性工作的裝置的理想發電機，例如每分鐘收集和傳輸資料一秒鐘的感測器。在未來幾年，奈米發電機將用於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、移動車輛的機械振動，甚至是露營者帳篷的飄動表面所產生的能量。想想我們周圍有多少小的能源。