摩擦摩擦,这位外籍院士告诉你纳米发电机如何让“海洋发电”

来源:瞭望 2022年第2期 | 2022年01月14日 15:19
原标题:摩擦摩擦,这位外籍院士告诉你纳米发电机如何让“海洋发电”
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  中国科学院外籍院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长王中林

   纳米能源与微纳系统研究的国际领跑者

   中国科技界非常重视纳米科技的创新与发展,纳米领域涌现了很多高质量的原创性成果,整体研究水平已经走在了世界的前列。比如纳米发电机和压电电子学两个领域,中国在国际上是领跑者

   山东省大小的海面积产生的电能便可满足目前全中国的总能耗,而千分之四(0.4%)的海平面面积发的电就能满足全世界用。蓝色能源的潜力不言而喻

   我们做科研,要么能上“书架子”,在基础科学上要有成果并成为经典科学,自己的发明可以写进教科书。要么能上“货架子”,真正把成果应用到祖国的大地上去,造福人民。两个架子都上,那是最好

  文 |《瞭望》新闻周刊记者 黄明 刘济美

  能源是人类文明进步的根本动力,也是全球技术变革的决定性因素。进入大数据、人工智能和物联网时代,在传统的化石能源与可再生能源等“大能源”之外,人类开始探索微纳能源等“小能源”,以解决物联网时代小型器件的自供能问题。

  在这个领域,中科院外籍院士、中科院北京纳米能源与系统研究所创始所长和首席科学家王中林,当属“执牛耳者”。作为国际纳米能源和纳米自驱动系统的主要开创者和奠基人,王中林堪称纳米科技领域最具学术影响力的科学家。

  近年来,王中林先后斩获10余项国际性奖项。其中,他2018年7月所获的世界能源和环境领域最高奖埃尼奖和2019年6月所获的爱因斯坦世界科学奖,均为华人科学家首次获得。近日,王中林接受《瞭望》新闻周刊专访表示,以摩擦纳米发电机为核心的海洋蓝色能源技术,可以高效地收集海洋波浪能并转化为电能,为人类大规模利用海洋能源提供了可能,为全世界实现“碳达峰、碳中和”的伟大目标提供了令人振奋的能源技术路径。

  未来能源什么样

  《瞭望》:未来能源革命的趋势是什么?

  王中林:能源是我们赖以生存的命脉。能源的利用使我们的生活日新月异,但同时也对我们提出了新的挑战和更高要求。长期以来,人类赖以生存的化石能源导致了气候和环境变化。油、煤燃烧过程的不可逆性,也使人类面临能源耗竭的困境。

  我国的能源特征是“多煤、少油、缺气”,目前的电力57.7%来自于煤炭火力发电,11%来自于可再生能源,即风能、光伏能、生物质能等。寻找“后化石能源”时代的新能源、新的增长点,以保障未来可持续发展成为当务之急。

  为实现“双碳”目标,降低煤炭发电所造成的二氧化碳释放是关键。到2060年,我国煤炭发电的占比要降低到7%,可再生能源与分布式能源占比就要达到63%。为了实现这一目标,发展结合大电网、大能源与微区网、分布式能源等颠覆性技术势在必行。从热力学角度讲,能源分布将从聚集型变为发散型,从有序变为无序,遵循熵增加的原理,即高熵能源。未来,如何解决和利用数以亿计的移动性、变化性、不定性的“小能源”,这是我们一直的研究方向。

  《瞭望》:什么是纳米能源?微纳系统研究的意义和价值在哪里?

  王中林:纳米能源,作为一个全新的研究领域,是指利用纳米材料和纳米器件来实现高熵能源的高效转换、储存与利用,从而实现为微纳系统提供持久的、不需维护的能源。其应用范围,包括不限于穿戴式电子设备、健康医疗、环境监测与保护、安全与安防、机器人和人机界面等。

  如今,人类社会已迈入大数据、人工智能和物联网时代,我们开始把目光投向除传统可再生电能、化石能源等“大能源”之外的微纳能源等“小能源”。我对纳米领域的研究始于1984年,那时纳米还不叫“纳米”。后来,2005年开始发展的基于纳米发电机的高熵能源体系和压电电(光)子学,成为当今我们领先世界的开创性原创领域。

  纳米能源与微纳系统研究是纳米科技中的一个重要组成部分,为物联网、机器人和人工智能的发展提供了新的能源技术,为人类探索和利用能源开辟了新的路径和方式,前景广阔。目前,我国纳米科技工作者已建立了从环境和生物系统中,获取随机机械能来驱动移动传感器的原理和技术路线图。

  纳米发电机前景广阔

  《瞭望》:什么是摩擦纳米发电机?能分享一下背后的过程和体会吗?

  王中林:摩擦纳米发电机,是一种将环境中的低频次、低振幅的机械能量转换为电能的能量采集装置。

  自从2006年世界上最小的发电机——压电式纳米发电机问世以来,纳米发电机的概念和应用也有了质的飞跃和升华。现在它已经是一个利用麦克斯韦位移电流把机械功高效转为电功的领域,涉及化学、物理、机械原理、电子学,特别是在能源和传感应用方面,成为跨领域新学科。

  我们推导出适用于运动介质的扩展型麦克斯韦方程组,在通讯与高分辨电磁波成像等领域有深远影响。我们的研究成果发表后,全世界每年有2000篇文章发表,60个国家和地区、800多个单元的逾7000名研究人员专注于这一领域。

  摩擦纳米发电机,能收集周围环境中微小的震动机械能并转变为电能,为其他纳米器件如传感器、探测器等提供能量。这种震动机械能普遍存在于自然界以及人们日常生活中。比如空气或水的流动、引擎的转动,甚至在人体内由于呼吸、心跳或是血液流动带来的体内某处压力的细微变化,均有可能带动纳米发电机产生电能。

  因此,纳米发电机的发明不仅为实现能源系统的微型化带来了可能。更重要的是,对于实现具有完全无线、可生物植入,以及长时期甚至终生无需照管的纳米或微电子器件,纳米发电机也提供了一种理想的电源系统。

  摩擦纳米发电机最核心的用途是能源与传感,在能源互联网、智能电网、物联网、互联网、生物医学、无线通信和无线传感等领域都将有广泛应用,也是我们未来的研究和应用方向。

  海洋发电或成现实

  《瞭望》:什么是海洋蓝色能源技术?应用前景有哪些?

  王中林:海洋中蕴含着波浪能、潮汐能、温差能等丰富而清洁的可再生蓝色能源。海洋能源若实现大规模商业化利用,将是一种崭新的绿色能源,可极大满足人类的能源需求、降低二氧化碳排放,同时带来世界能源格局的深刻变化并影响经济社会的方方面面。

  例如,利用固液界面的接触起电现象,研制出水能摩擦纳米发电机,可用于对河流、雨滴、海浪的动能收集。摩擦纳米发电机四种基本模式的组合应用,可以高效回收海洋中的动能资源,包括海水的上下浮动以及海浪、海流、海水的拍打。

  如果将这些水能摩擦纳米发电机结成网状放置到海洋中,将会使海水无规则的运动转变为源源不断的电能,我们团队将此描述为“新型蓝色能源”。根据实验数据做理论测算,每平方公里的海面面积、一米深的水,可以产生十兆瓦级的电能输出。

  以幅面一平方公里、深度一米的海水为例,每隔10厘米放置一台球形纳米发电机,然后连成三维网,理论上可持续发出近1万千瓦电,点亮100万盏电灯。山东省大小的海面积产生的电能便可满足目前全中国的总能耗,而千分之四(0.4%)的海平面面积发的电就能满足全世界用。蓝色能源的潜力不言而喻。

  利用海洋能源是当今世界能源研究的前沿方向。但由于海洋波浪能开发成本高、经济效益差,始终制约着其大规模商业化开发利用和发展。摩擦纳米发电机通过摩擦起电和静电感应的耦合将机械能转化为电能,与现有其他发电技术不同,也使海浪能的收集成为可能。

  加速孕育颠覆性技术变革

  《瞭望》:你怎么看“从0到1”?

  王中林:面对我国“十四五”时期及更长时期发展的迫切要求,科技工作者要更加注重自主创新,实现更多“从0到1”的突破。即从基础理论和物理机理本质上改头换面,一旦成功就能实现巨大的技术突破。

  “从0到1”不仅要有长期厚重的知识积累,还要有瞬间的灵感;既需要长期稳定坚持做基础研究,久久为功,又需要聚焦比较优势领域,突出重点;既需要自由探索,也需要从源头或底层为长远战略目标提供支撑。

  我们的未来不是靠预言出来的,而是靠实干干出来的。最优秀的科学家要做的,就是实现“从0到1”的突破。这也是最难的工作,往往需要“十年磨一剑”。我们近几年在纳米能源领域基础科学研究中,就实现了几个“从0到1”——

  拓展了麦克斯韦方程组,奠定了纳米发电机的理论基础;

  统一了摩擦起电(接触起电)的物理模型,明确了电子跃迁是接触起电的根本机理,解决了2600年的科学问题;

  提出并验证了跨原子电子跃迁是气体-液体-固体多相间接触起电的普适性机理,并首次提出了界面光谱学与接触起电催化学;

  确定了液体-固体接触中界面电子转移的过程,并提出了形成双电层结构的两步走机理模型。这些基础科学的进展必将带来技术的变革。

  《瞭望》:我国的基础研究与发达国家仍有差距,原因主要在哪里?

  王中林:在国际上,基础研究包括基础科学研究和基础技术研究两个层面。我们在提到基础研究时,关注的往往是基础技术研究,而不是基础科学研究。

  基础研究具有规律性与传承性,需要经过几代甚至很多代人努力。中国的基础科学研究起步晚、基础薄弱,还没有形成真正重视基础科学的文化。这是目前中国基础科学研究与欧美发达国家存在差距的重要原因之一。

  此外,我国基础研究的经费比例偏低,在一定程度上影响了基础研究的发展。实现基础研究的突破,重在打造科学的创新体系,关注科学的传承性、人才培养的连续性、经验和知识的积累性。尤其是要给科研人员长期的支持,让他们能潜心基础科学重要基本问题的研究,争当基础科学研究的国际领跑者,这样才能做出高质量的科学探索和科技创新。

  加快发展纳米能源产业

  《瞭望》:纳米科技的国际竞争趋势是什么?有何建议?

  王中林:中国科技界非常重视纳米科技的创新与发展,纳米领域涌现了很多高质量的原创性成果,整体研究水平已经走在了世界的前列。

  我们要有科技引领性——不只是跟踪世界前沿科技,还要以独特的中国智慧和中国方案引领世界。目前来讲,纳米发电机和压电电子学两个领域,我们在国际上是领跑者。

  在纳米科技方面,中国人还需要做更多原创的东西,并且与工业化应用衔接起来。纳米科技发展到今天,核心是要为社会解决重大问题。如果不解决问题,能发现新原理、新现象、新效应,在科学上取得进展也是很有意义的。但是目前这一类还是太少了,要注重把应用搞上去,往实业、产业走。

  我们做科研,要么能上“书架子”,在基础科学上要有成果并成为经典科学,在国际顶级刊物上有声音,自己的发明可以写进教科书。要么能上“货架子”,真正把成果应用到祖国的大地上去,造福人民。两个架子都上,那是最好。

  在纳米发电机这个我国引领世界发展的领域,我们应进一步聚焦能源与传感等重点前沿,发展中国人创造的崭新领域,增强科学界的民族自信心。

编辑:康雅婷 责任编辑:丁鹏飞
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