王中林：自驱动系统中的纳米发电机

材料人

王中林是佐治亚理工学院终身校董事讲席Hightower终身讲席教授，中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和创始所长。王中林是国际公认的纳米科技领域领军人物，他发明了压电纳米发电机,摩擦纳米发电机，并首先发展了自驱动系统和蓝色能源的原创大领域,为微纳电子系统的发展，物联网，传感网络，人工智能和人类未来的能源开辟了新途径。他开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学等领域，对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、LED技术的发展具有里程碑意义。王中林是Google Scholar（谷歌学术）2018年公布的全球纳米技术专家学术引用与影响力排名榜之第一名。他论文的影响因子h index 高达222。

王教授是中国科学院外籍院士，欧洲科学院院士。王教授是美国物理学会fellow，美国科学发展协会(AAAS)fellow，美国材料学会 fellow，美国显微学会fellow，美国陶瓷学会fellow。他荣获了2018年埃尼奖（Eni Award）；2017年潘文渊基金会杰出研究奖； 2017年全球纳米能源奖；2016年北京市华侨华人“京华奖”； 2016年美国东南地区大学联盟杰出科学家奖；2015年汤森路透引文桂冠奖；2014年材料领域世界技术奖；2014年佐治亚理工学院杰出教授终身成就奖；2014年美国物理学会詹姆斯马克顾瓦迪新材料奖；2013年中华人民共和国国际科学技术合作奖；2012年美国陶瓷学会埃瓦德奥顿纪念奖；2011年美国材料学会奖章；美国显微镜学会1999年巴顿奖章。

王中林发明了纳米发电机并发展出其技术路线图。他关于自驱动纳米系统的研究激发了世界学术界和工业界对于微纳系统电源问题的广泛研究，这已成为能源研究与未来传感器网络研究中的特色学科。通过在新型的电子器件和光电子器件中引入压电势控制的电荷传输过程，他开创了压电电子学和压电光电子学学科并引领其发展，这在智能微机电系统或纳机电系统、纳米机器人、人与电子器件的交互界面以及传感器等方面具有重要的应用。

王中林著作被引情况（来源于www.nanoscience.gatech.edu）。截止2019年3月22日，谷歌学术论文引用见上图。

自驱动系统中的

纳米发电机

“ 纳米发电机的发展过程是一个科学故事。”

——王中林

运行功率的量级特定操作所需的能量紧密依赖于进行这一操作的尺度范围和具体应用。在全球范围内，需要太瓦量级的能量。而对于驱动一个小的器件来说，尽管运行这类器件所需要的总能量不大，但是也需要微瓦量级的能量。能量对于这类系统的运行来说是必需的，甚至是无价重要的。针对不同量级的能量问题必须开发不同的技术来解决世界能源问题。

纳米系统是多功能纳米器件的集成系统，具有感知、控制、通信和激励/响应等多种功能。系统的低功耗决定了可以从外界环境中收集能量来驱动这一纳米系统。对于那些独立、可持续工作、无需维护的植入式生物传感器、远程移动环境传感器、纳米机器人、微机电系统乃至便携式/可穿着个人电子器件来说，通常需要微瓦量级的功耗。

基于纳米技术的大量器件大概需要微瓦到毫瓦量级功率的电源才能运转尽管所需功率小，电源都是必需的，不管成本怎样!虽然在很多情况下电池都是一个很好的选择，但从环境中收集能量可能可以完全替代电池或者延长电池的时间，从而使得器件可实现持续运转瓦量级的功耗。

我们于2006年首先提出了自驱动纳米技术，并且为自驱动系统研发了纳米发电机这种纳米发电机利用压电氧化锌纳米线阵列把随机的机械能转化为电能。纳米发电机的发电机制依赖于在外部应变下纳米线上产生的压电势：纳米线的动态应变使得外部负载电路中的电子在压电电势的驱动作用下发生瞬时的流动。利用纳米线的优势在于它们可以被微弱的物理运动激发，并且激发频率可以从一赫兹到几千赫兹，这对于收集环境中的随机能量来说是非常理想的。通过把几千根纳米线的发电输出集成起来，一个轻微的应变可以产生1.2V的电压，这足以驱动一个发光二极管和一个小型液晶显示器。

纳米发电机的发明，被中国科学院和中国工程院评为2006年度世界十大科技进展之一；2008年，基于纤维的纳米发电机被英国PhysicsWorld 评选为物理领域重大进展之一；英国NewScientist 期刊把纳米发电机评为在未来十到三十年以后可以和手机的发明具有同等重要性和影响的十大重要技术之一；2009年，纳米压电电子学被MIT TechnologyReview 评选为十大创新技术之一；2010年，纳米发电机被Discovery 杂志评为纳米技术领域的20项重大发明之一；2011年，纳米发电机被欧盟委员会评为六大未来新兴技术之一，将在下一个十年里受到资助。