黑科技：能用雪花发电的设备诞生，还能观测气象

来源：科研圈

美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员设计了第一台可用雪花发电的纳米发电设备，它还可以用于气象观测或检测运动员表现。

论文合著者 Maher El-Kady 和资深作者 Richard Kaner。图片来源：Stuart Wolpert/UCLA

“这款装置可以自供电，不需要电池，所以可以在偏远地区开展工作，” UCLA 材料创新研究中心主席（Dr. Myung Ki Hong Endowed Chair in Materials Innovation）、本研究的资深作者 Richard Kaner 说，“这是一款非常智能的装置，可以提供降雪量、降雪方向、风向以及风速等信息，就像气象站一样。”

研究人员将装置称为“雪 TENG”（snow TENG），即用雪发电的摩擦纳米发电机（snow-based triboelectric nanogenerator）。它通过静电产生电荷，经电荷交换产生能量。

有关该装置的研发成果发表在《纳米能源》（Nano Energy）期刊上。

Kaner 说：“静电源于两种材料间的相互作用，一种能捕获电子，另一种能释放电子。如果你能把电荷分开，就可以产生电能，成本几乎是零。”Kaner 同时也是 UCLA 化学和生物化学系杰出教授、材料科学与工程系杰出教授、加利福尼亚纳米系统研究院（California NanoSystems Institute）成员。

雪携带正电荷，倾向于释放电子；而硅氧树脂（Silicone）携带负电荷，这是一种合成橡胶材料，由硅原子和氧原子组成，并含有碳、氢等其它元素的合成橡胶材料。当落下的雪与硅氧树脂表面接触时，静电荷产生，被装置捕获后就能产生电能。

“既然雪已经带电了，所以我们想，为什么不引入另外一种带相反电荷的材料来捕获电荷发电呢？”UCLA 化学和生物化学博士后研究员、论文合著者 Maher El-Kady 补充道。

“虽然雪倾向于释放电子，但这款装置性能的关键取决于其它材料对电子的提取效率，”他接着说，“在测试了铝箔和聚四氟乙烯等大量材料后，我们发现硅氧树脂比其它任何材料产生的电荷都要多。”

El-Kady 指出，每年冬天，地球上都会有大约 30% 的陆地被积雪覆盖，这段时间太阳能电池往往无法工作。积雪减少了太阳能电池板的进光量，限制了电池板的功率输出，从而降低了效率。El-Kady 认为，如果可以将这款装置集成到太阳能电池中，下雪的时候就可以保证不间断的电力供应了。

Kaner 说这款装置还可用于监测冬季运动，例如滑雪，它可以更精确地评估和提高运动员在跑步、走路或跳跃时的表现。同时，该装置还具有识别运动员在越野滑雪中所使用的主要运动模式的潜力，而这是智能手表目前无法做到的。

这可能会带来新一代自供电可穿戴装置的革新，可用于追踪运动员及其表现。这个装置可以发送信号，指示佩戴者是否处于运动之中。不仅如此，它还可以分辨这个人是在走路、跑步、跳跃还是步行。

研究小组利用 3D 打印技术设计的这款装置具有一层硅氧树脂和一个用于捕获电荷的电极。研究人员认为，“制造的便利性和硅氧树脂的易于获取”可以保证以低成本生产该装置。硅氧树脂广泛应用于工业领域，如润滑剂、电线绝缘层和生物医用植入物等产品中，现在它又有了收集能量的新潜力。