编者按：本文最初发表于2008年1月的《大众科学》杂志。我们重新发布这篇文章，是因为作者王中林今天发布了一项新的研究。
20世纪20年代，发明自动上弦腕表的钟表匠提出了一个伟大的想法：机械地从佩戴者移动的手臂中获取能量，并将其用于重新给手表上发条。
今天，我们开始创造极小的能量收集器，可以为纳米级设备的微小世界提供电力，在这个世界中，事物的测量单位是十亿分之一米。我们称这些发电厂为纳米发电机。在微小尺度上发电的能力使我们可以考虑植入式生物传感器，它可以持续监测患者的血糖水平；或者为桥梁等结构提供自主应变传感器；或者用于检测毒素的环境传感器——所有这些都无需更换电池即可运行。纳米机器人、微机电系统（MEMS）、国土安全甚至便携式个人电子产品都迫切需要能源。很难想象这种微小的发电机最终会发现的所有用途。
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研究人员正在探索几种在微型尺度上发电的不同途径。选项包括利用随机振动或运动（例如道路附近的振动或运动）、温度梯度（例如，地表以下几米的地面温度相当恒定）、生物化学以及外部能源，例如超声波甚至可听噪声。
纳米器件和纳米系统的一个关键优势是它们通常以非常低的功率水平运行，范围在纳瓦特到微瓦之间，这使得用于为其供电的纳米发电机成为可能。想想人体可能提供的潜在能源：机械能、热能、振动能、化学能（以葡萄糖的形式）和循环系统的水力能。转化为电能后，即使是这些能量的一小部分也足以驱动多种小型设备。
为微型设备供电
自20世纪90年代后期以来，小型设备发电方面的研究进展迅速，当时便携式电子设备的大量涌现吸引了研究人员去寻找新的供电方式。例如，麻省理工学院媒体实验室的实验人员利用压电效应设计了一种能量收集鞋，即某些晶体材料在受到机械应力时会产生电压。但是，产生有用电量的困难很快促使科学家们去探索能够满足MEMS更小电力需求的发电机。这些基于硅的设备，其尺寸以微米（百万分之一米）到毫米（千分之一米）为单位测量，已经发现了许多用途，包括用于汽车安全气囊系统的加速度计和喷墨打印机喷嘴。生物学和化学也为发电提供了机会。
近年来，科学家们使用压电和电磁换能器制造了小型振动发电机。电磁微型发电机利用移动的磁铁或线圈在电路中感应出交流电。尽管一些微型发电机已在MEMS的规模上制造出来，但该技术往往需要1到75立方厘米的结构，其工作范围为50赫兹（每秒周期数）到5千赫兹。典型的基于压电振动的发电机使用两层钛酸锆铅梁，其不支撑端有一个质量块，有点像站在跳板末端的游泳运动员。当重力导致梁向下弯曲时，上层压电层处于拉伸应力状态，下层处于压缩应力状态。结果是在梁上产生正负电压。当质量块来回振荡时，会产生交变电压。但由于这种能量发生器相对较大，重力在驱动其振荡质量中起着重要作用。
现在，我在佐治亚理工学院的研究小组正在研究纳米级的压电发电。在纳米尺度下，事物会发生变化。重力在较大的世界中起着至关重要的作用，但在纳米世界中，与化学键和分子间引力相比，它只是一个非常小的角色。
重力无关紧要的地方
在纳米世界中，重力无法在有用的尺度上为我们所用。如果试图构造一个具有纳米级梁的压电发电机，则重力几乎不会对维持梁的运动做出贡献，并且该设备将无法工作。因此，我们需要另一种方法来构建纳米尺寸的发电机，为自主设备供电。我们的团队一直在探索创新的纳米技术，用于将机械能（例如身体运动和肌肉伸展）、振动能（例如声波和超声波）和液压能（例如血液和其他体液的流动）转化为电能，为纳米器件供电。
我在20世纪90年代后期专注于碳纳米管的研究。我们发明了一些技术，用于使用原位显微镜测量单个碳纳米管的机械、电气和场发射特性。但是我们无法控制纳米管的电学特性。我立刻意识到金属氧化物是一个新的世界——为什么不探索那些纳米结构呢？2000年，我开始研究纳米带，这是一种白色羊毛状产品，是通过在900至1200摄氏度的氩气存在下烘烤氧化锌等金属氧化物制成的，以及纳米线。
我们的研究重点已转向排列整齐的氧化锌纳米线，每根纳米线都是一个完美的六边形柱状晶体，使用小型管式炉中的标准气液固工艺在固体导电基板上生长。我们在蓝宝石基板上沉积金纳米颗粒，这些纳米颗粒充当催化剂。当氧化锌粉末被加热时，氩气载气会流过炉子。然后，纳米线在金颗粒下生长。纳米线的典型直径为30到100纳米，长度为1到3微米。
在2005年8月左右，当我们测量导线的机电耦合特性时，将机械能转化为电能的想法出现在我的脑海中。使用原子力显微镜（AFM），我们观察到了一些电压输出峰值，但不确定它们是什么。我们在那年11月进行了系统的研究，了解到电压来自氧化锌的压电效应；我们的结果排除了摩擦、接触或其他混淆因素的影响。下一步是确定单根纳米线的电荷输出过程。在研究了一本关于半导体器件的书之后，我提出了将成为纳米发电机的运行机制。
氧化锌具有同时具有压电和半导体特性的罕见属性，我们在纳米线中创建和积累压电电荷时利用了这一特性。我们已经证明，当原子力显微镜的导电尖端弯曲笔直的垂直纳米线时，会建立一个应变场，其中拉伸表面显示正应变，压缩表面显示负应变。当尖端扫描过氧化锌纳米线的顶部时，我们会观察到每个接触位置的相应电压输出图像中有许多峰值。压电效应会在纳米线的体积内产生电场，其中导线的拉伸侧和压缩侧显示正负电压。
想法是先产生的，但我们需要实验支持。在2005年圣诞节前夕，我设计了一个实验，以在光学和原子力显微镜下直接可视化大型导线的电压输出。我和我的学生做了实验，在十二月下旬的一个晚上，我们获得了一些视频作为回报，这些视频直接证明了我的模型。第二天，我在办公室与宋金辉一起编辑了这段视频。然后，我们将论文发送给《科学》杂志发表。
为了在实际应用中发挥作用，我们的纳米发电机需要包含一个纳米线阵列，所有纳米线都要持续产生电力，这些电力可以被收集并输送到设备中。要转化为电力的能量必须以来自环境的波或振动的形式出现，这样纳米发电机才能独立无线地运行。我们开发了一种新颖的设计来满足这些要求。
下一个挑战是提高纳米发电机的功率。必须实现三个目标：消除原子力显微镜的使用，使许多纳米线同时连续地发电，并以间接波（例如超声波）激发纳米线。我提出了一个使用带脊电极代替原子力显微镜尖端的新设计，并将这个想法告诉了我的博士后助理王旭东。他花了大约四个月的时间进行实验，才汇编了第一组数据。信号相当小。从2006年5月到10月，我们专注于纳米发电机的最佳封装，以提高其输出。到年底，我们意识到纳米发电机终于可以向科学界报告了。
我们的实验装置首次演示了压电纳米发电机产生的连续直流电。它由一个平行的氧化锌纳米线阵列和一个带有脊面的镀铂硅电极组成，以代替显微镜的尖端。用铂涂覆电极既提高了其导电性，又使其像二极管一样工作，仅允许电流从金属流向半导体。电极以受控的距离放置在纳米线阵列上方，并且可以横向移动，从而使其从一侧到另一侧弯曲纳米线。由于其表面有脊，因此该电极就像一个排列整齐的显微镜尖端阵列。
灵活的未来
自 2007 年 1 月以来，我们一直全力投入到纳米发电机的改进工作中。我们最初用于生长氧化锌纳米线的陶瓷或半导体基底坚硬且易碎，例如，这使得它们不适用于需要可折叠或柔性电源的应用，例如植入肌肉或关节的生物传感器，或内置于鞋子中的发电机。
导电聚合物可以在这里提供一种可能具有生物相容性的基底。在实验中，我们发现许多可用的柔性塑料基底都适合生长氧化锌纳米线阵列，这最终可能在便携式和柔性电子产品中找到应用。由于基底的柔韧性，纳米线表面轮廓呈波浪状，导致一些接触不良。我们认为，在纳米线和基底之间提供合适的结合强度以及优化导线间距对于提高放电效率非常重要。
尽管我们的方法已经证明了纳米发电机的原理，但我们必须大幅提高其性能才能使其具有实用性。所有纳米线必须同时且连续地发电，并且所有电力必须被有效地收集和分配。大规模生长氧化锌纳米线的方法具有成本效益，因为它不需要昂贵的高温制造工艺。我们研究中面临的障碍包括学习如何生长出完美均匀的纳米线阵列，使其都能发电，以及如何延长它们的使用寿命。当前纳米发电机的寿命约为 50 小时。设备失效的主要原因很可能是组装顶部电极和纳米线阵列的封装技术。例如，如果电极过于用力地压在纳米线上，则不会产生电流。我们正在努力改进封装。
用于生产阵列的过程包括在基底上蒸发一层薄薄的金，它充当纳米线生长的催化剂。氧化锌晶体看起来有点像没有树枝的森林。为了提高纳米线与基底的附着力，我们在生长后在基底上添加了一层薄薄的聚合物，使纳米线的根部部分嵌入其中。我们已经从一个大约六平方毫米大小的纳米发电机中获得了大约 10 毫伏的电压输出和 800 纳安的电流输出。我们还表明，纳米发电机可以串联排列以提高输出电压，并联排列以提高输出电流，这与电池或燃料电池等电源的常见做法相同。但是，要产生更高的电压，我们需要制造高度和直径相同的纳米线。
纳米发电机可能永远无法为我们的家庭甚至我们的手电筒供电；它们可提供的电量将非常小。但是，纳米线阵列对于只需要间歇性工作的设备来说是理想的发电机，例如每分钟收集和传输数据一秒钟的传感器。在未来几年，纳米发电机将被用来收集和回收我们日常生活中浪费的能量，例如汽车轮胎中的压力变化、行驶车辆的机械振动，甚至露营者帐篷的飘动表面产生的能量。想想我们周围有多少小的能源。