20世纪20年代，那位设计出自动上链腕表的钟表匠，提出了一个伟大的想法：从佩戴者手臂的运动中机械地收集能量，并将其用于为腕表发条上弦。
今天，我们开始创造极其微小的能量收集器，可以为纳米级设备的微观世界供电，在纳米级世界中，物体的尺寸以十亿分之一米为单位进行测量。我们称这些发电厂为纳米发电机。在微小尺度上制造电力的能力，使我们能够构想可植入的生物传感器，可以持续监测患者的血糖水平，或用于桥梁等结构的自主应变传感器，或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。纳米机器人技术、微机电系统 (MEMS)、国土安全甚至便携式个人电子设备都迫切需要能源。很难想象如此微小的发电机最终可能找到的所有用途。
研究人员正在探索在微型尺度上发电的几种不同途径。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，地下几米的地面温度相当恒定）、生物化学以及超声波甚至可听噪声等外部能源。
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纳米设备和纳米系统的一个关键优势是，它们通常在非常低的功率水平下运行，范围在纳瓦到微瓦之间，这使得为它们供电的纳米发电机成为可能。想想人体可以提供的潜在能量来源：机械能、热能、振动能、化学能（以葡萄糖的形式）以及循环系统的液压能。如果将这些能量转化为电力，即使是一小部分也足以驱动许多类型的小型设备。
微小设备的电力
自20世纪90年代末以来，小型设备发电方面的工作进展迅速，当时便携式电子设备的普及吸引了研究人员寻找为其供电的新方法。例如，麻省理工学院媒体实验室的实验人员设计了一种利用压电效应的能量收集鞋，压电效应是指某些晶体材料在受到机械应力时会产生电压。但是，产生有用电量的难度很快促使科学家们探索能够满足MEMS更小电力需求的发电机。这些硅基设备的尺寸以微米（百万分之一米）到毫米（千分之一米）为单位进行测量，已发现许多用途，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，科学家们已经使用压电和电磁换能器构建了小型振动式发电机。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流。尽管一些微型发电机已在MEMS的尺度上制造出来，但该技术往往需要1到75立方厘米的结构，这些结构在50赫兹（每秒周期数）到5千赫兹的振动范围内工作。典型的压电振动式发电机使用双层锆钛酸铅梁，其无支撑端有一个质量块，有点像跳水板末端的游泳运动员。当重力导致梁向下弯曲时，上压电层处于拉伸应变状态，下层处于压缩应变状态。结果是在梁上产生正负电压。当质量块来回振荡时，就会产生交变电压。但是，由于这种能量发生器相对较大，因此重力在驱动其振荡质量块方面非常重要。
现在，我在佐治亚理工学院的研究小组正在纳米尺度上进行压电发电研究。在纳米尺度上，情况发生了变化。与化学键合力和分子间吸引力相比，在较大的世界中起着关键作用的重力在纳米世界中只是一个非常小的角色。
重力无关紧要之处
在纳米世界中，重力无法在有用的尺度上为我们所用。如果尝试构建一个纳米级梁的压电发电机，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拉伸）、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，从而为纳米设备供电。
我的研究在20世纪90年代末专注于碳纳米管。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。我立即意识到金属氧化物是一个新世界——为什么不探索这些纳米结构呢？2000年，我从纳米带开始，这是一种类似白色羊毛的产品，通过在900至1200摄氏度的氩气中烘烤氧化锌等金属氧化物制成，以及纳米线。
我们的研究已转向对齐的氧化锌纳米线，每根纳米线都是一个完美的六面柱状晶体，使用标准的气液固工艺在小型管式炉中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，作为催化剂。当氧化锌粉末被加热时，氩气载气流过炉子。然后，纳米线在金颗粒下方生长。纳米线的典型直径为30至100纳米，长度为1至3微米。
将机械能转化为电能的想法大约在2005年8月进入我的脑海，当时我们正在测量导线的机电耦合特性。使用原子力显微镜 (AFM)，我们观察到一些电压输出峰值，但我们不确定它们是什么。我们在当年11月进行了系统的工作，并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、接触或其他混淆性人为因素的贡献。下一步是确定单根纳米线的电荷输出过程是什么。在研究了一本关于半导体器件的书籍后，我提出了后来成为纳米发电机的运行机制。
氧化锌具有压电和半导体特性的罕见属性，我们将其用于在纳米线中产生和积累压电电荷。我们已经证明，当原子力显微镜的导电尖端弯曲一根笔直的垂直纳米线时，会建立一个应变场，拉伸表面显示正应变，压缩表面显示负应变。当尖端扫描氧化锌纳米线的顶部时，我们观察到每个接触位置的相应电压输出图像中都有许多峰值[参见第84页的方框]。压电效应在纳米线的体积内部产生电场，导线的拉伸侧和压缩侧显示正电压和负电压。
想法先出现，但我们需要实验支持。就在2005年圣诞节前，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。我的学生和我做了实验，在十二月下旬的一个晚上，我们获得了几个视频，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部影片。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，所有纳米线都持续发电，这些电可以被收集并输送到设备。并且要转化为电能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。我提出了一个使用脊状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实验才汇编了第一批数据。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，以增强其输出。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。它由平行的氧化锌纳米线阵列和带有脊状表面的镀铂硅电极组成，取代了显微镜的尖端。在电极上镀铂既增强了其导电性，又使其像二极管一样工作，只允许电流沿一个方向流动，从金属到半导体。电极以受控距离放置在纳米线阵列上方，并且可以横向移动，使其从一侧到另一侧弯曲纳米线。由于其表面脊状结构，电极就像排列整齐的显微镜尖端阵列。
灵活的未来
自2007年1月以来，我们一直全身心地投入到改进我们的纳米发电机中。我们最初用于生长氧化锌纳米线的陶瓷或半导体基板坚硬而易碎，例如，使其不适合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。
在这里，导电聚合物可以提供一种可能具有生物相容性的基板。在实验中，我们发现许多可用的柔性塑料基板都适合生长氧化锌纳米线阵列，最终可能会在便携式和柔性电子产品中找到应用。由于基板的柔韧性，纳米线表面轮廓呈波浪状，导致一些接触缺失。我们认为，在纳米线和基板之间提供适当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连续发电，并且所有电力都必须有效地收集和分配。大规模生长氧化锌纳米线的方法可能是具有成本效益的，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完全均匀的纳米线阵列，使其都能发电，以及如何延长其工作寿命。当前纳米发电机的使用寿命约为50小时。设备故障的主要原因可能是用于组装顶部电极和纳米线阵列的封装技术。例如，如果电极压在纳米线上太紧，则不会产生电流。我们正在努力改进封装。
用于生产阵列的工艺包括在基板上蒸发一层薄薄的金，金作为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板的附着力，我们在生长后在基板上添加了一层薄薄的聚合物，以便纳米线的根部部分嵌入其中。我们已经从大约六平方毫米大小的纳米发电机中获得了约10毫伏和800纳安的电输出。我们还表明，纳米发电机可以串联排列以提高输出电压，并可以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用做法相同。但是，为了产生更高的电压，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房屋甚至手电筒供电；从它们那里获得的电量将非常小。但是，纳米线阵列可能是需要间歇性工作的设备的理想发电机，例如每分钟收集和传输数据一秒钟的传感器。在未来几年，纳米发电机将用于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、移动车辆的机械振动，甚至是露营者帐篷的飘动表面所产生的能量。想想我们周围有多少小的能源。