利用摩擦能給手機充電？摩擦納米發電機使「能源」無處不在

作者：中國科普博覽

有沒有想過擁有一台永遠不用充電的手機？有沒有想過在醫療領域，植入人體的很多元件永不斷電？有沒有想過在你的生活中，通過說話就能點亮一束花朵？我們從很小的時候就知道用尺子在頭皮上摩擦后可以吸起碎紙屑。老師和家長告訴我們這種現象叫「摩擦起電」。不知當時人們是否想過，在若干年後的今天，這樣小小的摩擦也可以聚集起來形成供我們使用的「能源」。

摩擦起電（圖片來源於網路）

而這有賴於科學家發明的摩擦納米發點機Triboelectric Nano Generator（TENG）。摩擦納米發電機可以收集材料接觸、摩擦所產生的電能，供我們所利用。一個人走路2個小時能產生67W的能量，這等於0.3度電，相當於可以為大約30部智能手機充滿電的電量。可以維持一台普通的筆記本電腦連續工作20小時。

中國科學院北京納米能源與系統研究所所長王中林介紹說：「由於摩擦這一現象很普遍，在我們的生活中無處不有，甚至走路、衣服翻動都會有，因此我們發明了四種模式，可以把這種接觸、滑動等四種不同的狀態轉化成電能，這就是摩擦納米發電技術，這種技術和傳統的技術還有優勢互補的效果。」

使用輪機進行能量轉化的傳統發電技術（火電、水電、風電），再發電過程中會因為摩擦而損失相當一部分能量。致使能量轉化效率偏低。而摩擦納米發電機技術恰好可以將一部分摩擦能轉化為電能，與傳統發電技術相互補充，可以實現20%-40%的效率提升。

（圖片來源於網路）

納米能源：偶然發現的大成果

納米能源是一次偶然的發現才有了現在的成果。王中林院士講述了這樣一個小故事：團隊從2006年開始微納能源技術研究，當時曾想把心跳、手動等都轉化成電能，並且想要通過壓電效應來達到這個目的。2008年做實驗的時候，他們偶然得到了比想象中高得多的電能輸出，當時認為是人為效應或者是實驗差錯，因而就沒有注意。直到2011年，他們在實驗中再次發現這個現象，接下來通過進行仔細研究、分析這些樣品，經過幾個月的分析發現，這些電能是由常見的摩擦效應產生的。

自從那時起，王中林團隊就一直進行研究，到目前為止，三年間，他們發表了一百多篇文章，奠定了這方面的基本模式、基本理論、基本實驗方法以及一些應用。王中林院士說道：「我們也沒有想到，偶然發現的這個技術變得如此重要，引發了全世界研究的浪潮，至少有30多個組織在做這方面的研究。從大陸到台灣，從國內到韓國，從歐洲到美國，很多人都在開展這項工作。從我們第一個開始研究，到現在普遍被探索，這是個好現象，它必然是能給人類能源帶來一線希望的。」

摩擦納米發電機：門檻低，應用廣

很多人一定想問了，這個摩擦納米發電機一定很貴吧？能不能大規模普及呢？事實上，摩擦納米發電並沒有你們想象中的那麼「高大上」，摩擦納米發電機成本上沒有多大門檻，因為它的材料具有普適性，技術也相對成熟，所以只要在這個基礎上加入納米材料，提高它的耐磨性、耐久性，它就能夠實現大範圍應用。

摩擦納米發電技術的應用領域也十分廣泛，從小能源到感測技術再到大能源，覆蓋面非常廣。

例如：我們想快速測量體溫，（如果是現在的話）你必須有個電池才能驅動電子體溫計。（而使用摩擦納米發電技術）我們把一個材料戴在手上，把衣服搖晃兩下，就可以實現測量體溫，這就是穿戴式健康監護，這種未來將是個大市場。所以這樣的應用領域，我們稱之為微納能源。

（圖片來源於網路）

又如：北京西單商業區的人流進進出出，利用人走路踩過地面這個動作產生的電，每天就相當於約2.5噸煤燃燒產生的電。這個能源在過去是我們沒有注意到的，但是這在我們現實生活中隨處可見。

摩擦納米發電普及后的生活是啥樣的？

讓我們大膽設想一下在未來摩擦納米發電普及之後我們的生活會是什麼樣子呢？

每天早上7點，小李起床后的第一件事就是往智能水杯中倒水、喝水，在手接觸水杯的瞬間，產生的摩擦就能讓智能水杯開始運轉，水杯將飲水數據傳送到手機APP中，記錄飲水時間和飲水的量，到了喝水的時間點，APP就會自動提醒小李喝水及飲水量，一天均衡喝水so easy。

7點半，小李準時出門，出門前，他會特意佩戴一件神器：智能手錶。這塊手錶還是一名健康衛士，通過佩戴不僅可以記錄每天行走的距離，監測人體心率、血液流動速度等，還能通過數據分析，得出人體健康指標。這些數據和指標都可以傳輸到手機上，小李很輕鬆就能了解自己的身體情況。

小李走入辦公室大門就自動打卡成功。

很快小李就投入到緊張的工作中去，十點多左右，手機「滴」了下，小李拿起一看，上面顯示休息提示：「您已經就坐2小時了，快起來活動一下。」

午休結束后，小李到客戶的公司去開會。在地鐵上，小李發現手機電量不足，他從容地將手機放入衣服上的特殊口袋中。當他們到達客戶的公司后，手機已經充好了電。

回到家，小李才發現裝有重要合同的公文包竟然落在了客戶公司，小李心想：「好在是TENG防盜公文包，可以保證資料的安全。」小李給客戶打電話說明了情況，約好第二天去取。

終於回到家，小李拿出冰箱里的食材，準備給自己好好做一頓飯。可是，誰承想做著做著，廚房的燈突然滅了，小李探頭一看，小區漆黑一片，原來是小區的供電線路被颱風掛斷了。這時，小李淡定地啟動了安裝在房子外牆上的TENG臨時供電系統，家裡的燈又亮了。小李繼續烹調美味，享受難得的休息時光。

海浪能：有待開發的摩擦能源

（圖片來源於網路）

在自然界中還蘊藏著巨量的摩擦能源有待開發，這其中最典型的就是海浪能。研究表明每平公里的海面上蘊藏著約20萬kW的能量。假設其中有10%的能量可以通過摩擦納米發電機轉化成電能，1平方公里的電能就可以點亮40萬隻燈泡。那麼，只需要在80平方公里的海域上建設納米摩擦發電機廠，其產生的電能就可以覆蓋整個上海市的用電需求！到那個時候，也就真正迎來了我們預想的藍色大能源時代！