科学出版社分享 http://blog./u/sciencepress 中国最大的综合性科技出版机构之一,科学家的出版社!

博文

王中林:自驱动系统中的纳米发电机 精选

已有 2246 次阅读 2019-4-2 09:58 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

640.webp (2).jpg


王中林是佐治亚理工学院终身校董事讲席教授,Hightower终身讲席教授,中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和创始所长。王中林是国际公认的纳米科技领域领军人物,他发明了压电纳米发电机,摩擦纳米发电机,并首先发展了自驱动系统和蓝色能源的原创大领域,为微纳电子系统的发展,物联网,传感网络,人工智能和人类未来的能源开辟了新途径。他开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学等领域,对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、LED技术的发展具有里程碑意义。王中林是Google Scholar(谷歌学术)2018年公布的全球纳米技术专家学术引用与影响力排名榜之第一名。他论文的影响因子h index 高达222。


王教授是中国科学院外籍院士,欧洲科学院院士。王教授是美国物理学会fellow,美国科学发展协会(AAAS)fellow,美国材料学会 fellow,美国显微学会fellow,美国陶瓷学会fellow。他荣获了2018年埃尼奖(Eni Award);2017年潘文渊基金会杰出研究奖; 2017年全球纳米能源奖;2016年北京市华侨华人“京华奖”; 2016年美国东南地区澳门至尊游戏娱乐平台联盟杰出科学家奖;2015年汤森路透引文桂冠奖;2014年材料领域世界技术奖;2014年佐治亚理工学院杰出教授终身成就奖;2014年美国物理学会詹姆斯马克顾瓦迪新材料奖;2013年中华人民共和国国际科学技术合作奖;2012年美国陶瓷学会埃瓦德奥顿纪念奖;2011年美国材料学会奖章;美国显微镜学会1999年巴顿奖章。


王中林发明了纳米发电机并发展出其技术路线图。他关于自驱动纳米系统的研究激发了世界学术界和工业界对于微纳系统电源问题的广泛研究,这已成为能源研究与未来传感器网络研究中的特色学科。通过在新型的电子器件和光电子器件中引入压电势控制的电荷传输过程,他开创了压电电子学和压电光电子学学科并引领其发展,这在智能微机电系统或纳机电系统、纳米机器人、人与电子器件的交互界面以及传感器等方面具有重要的应用。


640.webp (3).jpg


王中林著作被引情况(来源于www.nanoscience.gatech.edu)。截止2019年3月22日,谷歌学术论文引用见上图。


自驱动系统中的

纳米发电机


“ 纳米发电机的发展过程是一个科学故事。”

——王中林


640.webp (4).jpg


运行功率的量级 特定操作所需的能量紧密依赖于进行这一操作的尺度范围和具体应用。在全球范围内,需要太瓦量级的能量。而对于驱动一个小的器件来说,尽管运行这类器件所需要的总能量不大,但是也需要微瓦量级的能量。能量对于这类系统的运行来说是必需的,甚至是无价重要的。针对不同量级的能量问题必须开发不同的技术来解决世界能源问题。


纳米系统是多功能纳米器件的集成系统,具有感知、控制、通信和激励/响应等多种功能。系统的低功耗决定了可以从外界环境中收集能量来驱动这一纳米系统。对于那些独立、可持续工作、无需维护的植入式生物传感器、远程移动环境传感器、纳米机器人、微机电系统乃至便携式/可穿着个人电子器件来说,通常需要微瓦量级的功耗。


640.webp (5).jpg

基于纳米技术的大量器件大概需要微瓦到毫瓦量级功率的电源才能运转 尽管所需功率小,电源都是必需的,不管成本怎样!虽然在很多情况下电池都是一个很好的选择,但从环境中收集能量可能可以完全替代电池或者延长电池的时间,从而使得器件可实现持续运转瓦量级的功耗。


640.webp (6).jpg


我们于2006年首先提出了自驱动纳米技术,并且为自驱动系统研发了纳米发电机 这种纳米发电机利用压电氧化锌纳米线阵列把随机的机械能转化为电能。纳米发电机的发电机制依赖于在外部应变下纳米线上产生的压电势:纳米线的动态应变使得外部负载电路中的电子在压电电势的驱动作用下发生瞬时的流动。利用纳米线的优势在于它们可以被微弱的物理运动激发,并且激发频率可以从一赫兹到几千赫兹,这对于收集环境中的随机能量来说是非常理想的。通过把几千根纳米线的发电输出集成起来,一个轻微的应变可以产生1.2V的电压,这足以驱动一个发光二极管和一个小型液晶显示器。


纳米发电机的发明,被中国科学院和中国工程院评为2006年度世界十大科技进展之一;2008年,基于纤维的纳米发电机被英国Physics World 评选为物理领域重大进展之一;英国New Scientist 期刊把纳米发电机评为在未来十到三十年以后可以和手机的发明具有同等重要性和影响的十大重要技术之一;2009年,纳米压电电子学被MIT Technology Review 评选为十大创新技术之一;2010年,纳米发电机被Discovery 杂志评为纳米技术领域的20项重大发明之一;2011年,纳米发电机被欧盟委员会评为六大未来新兴技术之一,将在下一个十年里受到资助。


纳米发电机的发展过程是一个科学故事,而《自驱动系统中的纳米发电机》的主题是介绍纳米发电机的基本原理。


首先将讲述基本的材料生长;随后描述物理机制和基本理论;然后展示 获得高输出功率的工程方法;最后,我们将提出纳米发电机和其他能量收集技术的 结合;书末,我们将展示自驱动系统的原型。本书可以用来作为本科生、研究生和 一般科研人员的基础读本,人们可以从中学习了解纳米发电机的理论和技术是如 何系统地发展起来的。


640.webp (7).jpg

自驱动系统中的纳米发电机

ISBN 9787030343970


长按二维码  购买本书


640.png

更多精彩  详见目录


  • 目 录
    《纳米科学与技术》丛书序
    中文版序
    第1章 绪论 1
    1.1 纳米器件的电源 1
    1.2 自驱动传感器网络和系统 2
    1.3 机械能的收集 5
    1.4 纳米发电机 6
    参考文献 7
    第2章 纳米发电机的基础材料 8
    2.1 氧化锌的晶体结构 8
    2.2 气固固法生长纳米线/纳米带 10
    2.3 气液固方法生长纳米线阵列 11
    2.4 脉冲激光沉积法制备纳米线阵列 13
    2.5 化学法生长纳米线阵列 14
    2.6 激光图案化法生长晶网级规模的纳米线阵列 22
    2.7 织构化氧化锌薄膜 24
    参考文献 25
    第3章 压电和压电势 27
    3.1 控制方程 27
    3.2 前三阶微扰理论 28
    3.3 垂直纳米线的解析解 30
    3.4 横向弯曲纳米线的压电势 32
    3.5 横向弯曲纳米线的压电势洌量 33
    3.6 轴向应变纳米线的压电势 34
    3.7 掺杂半导体纳米线的平衡电势 38
    参考文献 48
    第4章 纳米发电机的工作原理 49
    4.1 垂直一致取向纳米线构成的纳米发电机 49
    4.2 p型材料纳米发电机 57
    4.3 基于其他纤锌矿结构纳米线的纳米发电机 61
    4.4 基于横向固定纳米线的纳米发电机 62
    参考文献 75
    第5章 纳米发电机输出信号的表征 76
    5.1 输出电流 76
    5.2 输出电压 78
    5.3 总结 80
    参孝文献 80
    第6章 基于垂直纳米线阵列的高输出纳米发电机 81
    6.1 超声驱动纳米发电机 81
    6.2 集成的纳米尖纳米线相向排列方法 84
    6.3 端部稳固连接的集成化纳米发电机 90
    参考文献 95
    第7章 基于横向纳米线阵列的高输出纳米发电机 96
    7. 1 横向集成纳米发电机 96
    7.2 柔性高输出纳米发电机 101
    7.3 驱动一个发光二极管 106
    参考文献 107
    第8章 基于非接触纳米线的高输出纳米发电机 108
    8.1 基本设计 108
    8.2 工作机理 109
    8.3 常规输出 112
    8.4 利用纳米发电机来驱动传统电子器件 113
    8.5 小结 116
    参考文献 116
    第9章 基于纤维的纳米发电机 117
    9.1 微纤维纳米线复合结构 117
    9.2 压力驱动的柔性纤维纳米发电机 125
    参考文献 132
    第10章 收集多种类型能量的复合电池 133
    10.1 收集太阳能和机械能的复合电池 133
    10.2 同时收集生物机械能和生物化学能的复合电池 139
    参考文献 146
    第11章 自供能传感器与系统 147
    11.1 自驱动系统的原理 147
    11.2 纳米发电机的设计 149
    11.3 使用超级电容器进行电荷存储 151
    11.4 自驱动光传感器与系统 152
    11.5 自驱动环境传感系统 155
    参考文献 157
    附录 王中林教授研究组2006~2011年间在纳米发电机和压电电子学领域发表的期刊论文 158



本文摘编自王中林著《自驱动系统中的纳米发电机》文前,内容有删减。



(本期编辑:安 静)


640 (2).jpg

一起阅读科学!

科学出版社│微信ID:sciencepress-cspm

专业品质  学术价值

原创好读  科学品味

更多好素材,期待您的来稿

与科学相约 | 科学出版社征稿启事



http://blog./blog-528739-1171006.html

上一篇:春季到雄安来看花
下一篇:只知道“慧眼”?你out了!更强大的旗舰级X射线空间天文台eXTP来袭

3 黄永义 崔尧 强涛

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (1 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-4-3 11:44

Powered by

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部