用纸和笔“画”一台发电机

 
两张普通的纸片，涂上一层签字笔的油墨，再贴上特氟龙胶带，最后折叠成“π”形状并相互嵌合，一台发电机就做成了。近日，浙江大学海洋学院海洋电子与智能系统研究所朱智源博士研究小组，研发了一种新型的X形纸基高效摩擦纳米发电机，具有结构简单、体积小、成本低以及可收集人体运动能等诸多特点。这项研究发表在著名期刊《纳米能源》上。
用笔墨勾勒而成，可收集人体运动能
在该研究工作中，研究人员提出了一种新颖的纸基摩擦纳米发电机(XP-TENG)，并可通过商业画笔将签字笔油墨勾勒在纸上形成电极。
他们为科技日报记者还原了这个绘画过程。研究人员首先取两张尺寸为3cm×9cm的纸片，在纸片的一侧切割出两条平行的缝隙用以嵌合器件。接着用画笔将签字笔墨均匀地涂抹在纸片的表面，然后放置2分钟使得油墨在纸的表面固化形成电极，取其中一张纸片，在电极表面贴上特氟龙胶带，然后将其中一张纸片折成“π”形状，另外一张折成“倒π”形状。最后两个器件通过缝隙嵌合到一起，便形成了X形状的纸基发电机。
论文第一作者、浙江大学海洋学院2017级船舶与海洋工程专业硕士研究生夏克泉介绍，在此之前，摩擦纳米发电机(TENG)作为一种智能绿色器件已经被科学家所研发。“摩擦纳米发电机最具吸引力的特征是，可把人行走、人眼运动和车辆运动等各种机械运动能转换为电能。”
遗憾的是，摩擦纳米发电机多数加工方法成本过高、工艺复杂，很难实现大规模生产。
直到2013年，中国科学院外籍院士王中林提出了一种纸基TENG，大大降低了制作成本。此次朱智源团队的成果就是在此理论基础上取得的突破性进展。
X形有妙用，能在海洋中工作
记者在现场见到了朱智源团队的纸基发电机，造型如一个立体的X，研究人员通过不停地按压X从而让LED灯泡发光。
夏克泉介绍，相较于拱形结构、V形结构和菱形结构等，X形纸基摩擦纳米发电机本身带有6对摩擦电极，进而将6个摩擦副集成到一个发电机上。
另外，这一特殊的结构还能为发电机提供两种工作模式，从而拓展应用范围。
第一种模式为基于常规的接触—分离模型，采取多个堆叠结构的X形纸基摩擦纳米发电机，可以进一步提升堆叠结构的电流输出性能。
科研人员通过实验发现，在手按压下具备四个工作单元的堆叠X形纸基摩擦纳米发电机，产生的输出能够直接点亮工作电压为3.4V的101个串联高功率蓝光LED。“当然为了防止电流相互抵消，我们还会在结构中采用多个全波桥独立连接的优化手段，使得电流朝着一个方向运动。”夏克泉说道。
第二种模式则可以有效地从人体运动中收集机械能，比如收集人肘运动机械能，或者将X形纸基摩擦纳米发电机放在书包中，收集人走路时产生的振动机械能等。
X形纸基摩擦纳米发电机能够适应湿度环境，具有在海洋环境下工作的潜力，在船舶电子系统供能方面有潜在应用。“未来，潜水员的探照灯或许可以通过人体自身的运动机械能发亮，同时这种发电原理或许还可以运用到救生中。”朱智源说道。
用于海洋的纳米能源器件是浙江大学海洋电子与智能系统研究所的重要研究方向，该研究所由国家千人计划专家徐志伟教授于2016年1月领衔创立，重点关注以信息科学与海洋物理为学科交叉的基础研究，包括海洋信息电子、智能系统以及用于海洋电子装备的新能源新材料新器件。此次利用简易的商用材料制备了结构简单、体积小、重量轻、低成本、作用速度快的供能器件，在摩擦纳米发电机研究上取得突破，为用于海洋的自主便携电子系统持续供能提供了新的思路。