Nature：小液滴，大能量！如何用一滴水砸亮100个LED灯？

来源：研之成理

第一作者：徐王淮、郑焕玺、周晓峰、刘源

通讯作者：王钻开、曾晓成、王中林

通讯单位：香港城市大学、美国内布拉斯加大学林肯分校、中科院北京纳米能源与系统研究所

论文DOI：10.1038/s41586-020-1985-6

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2月6日，香港城市大学的王钻开教授、美国内布拉斯加大学林肯分校的曾晓成教授和中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作在Nature发表文章A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density，报道了一种结构类似场效应晶体管(FET)的新型液滴发电机。该研究发现，由于液滴的连续撞击PTFE表面诱导的高电荷密度与独特的类FET结构设计的协同作用，这种液滴发电机成功解决了传统设计中发电效率不高的瓶颈，其瞬时功率可以提升上千倍，有助于推动水力发电的科学研究及应对能源危机。

背景介绍

水占据了地球表面70%的面积，它不仅支撑着我们的生活，而且还可以作为一种可再生和清洁的能源。水以多种形式出现，包括雨滴，河流，海浪，潮汐，蕴藏着丰富的能量。近年来随着纳米技术以及纳米尺度材料的发展，利用以雨滴，河流，海浪等形式存储在低频水流中的动能的相关策略被提出，各种方法层出不穷。其中由中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士及其团队于2012年首先发明的摩擦纳米发电机(TENG)引起了全球相关研究人员的广泛关注。基于固/液界面的TENG可以利用水与固体的摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能,有着成本低、极高的输出、以及多样的材料选择等优良的特征，这使得它非常适合用来收集各种形式的水的动能。然而，传统利用界面摩擦起电效应的液滴发电机是基于每个液滴撞击表面时的摩擦而产生电荷，其产生的电荷密度相对比较低，峰值功率密度仍然很小，极大地限制了这种发电装置的实际应用。因此，需要设计一种更有效的结构，实现高效地将水滴中的机械能转化为高功率的电能。

本文亮点

设计了一种结构类似于场效应晶体管的液滴发电机，成功突破过往液滴发电机发电功率密度不高的研究瓶颈，其每平方米产生的最高能量可达50.1瓦。

图文解析

新型液滴发电机的设计非常简单，由铝（Al）电极，聚四氟乙烯(PTFE)薄膜和氧化铟锡(ITO)电极三层结构组成(图1a)。在一定程度上，该结构与场效应晶体管很类似。作为集成电路的最基本单元之一，场效应管晶体管的发明改变了信息传递的方式,并于1956年获得诺贝尔物理奖。它由栅极、源极、漏极三个极组成，基本原理是通过调节栅极上的门电压，从而控制源极和漏极之间沟道的形成，进一步控制两极之间电荷的流动。研究发现, PTFE薄膜可以通过重复的水滴撞击（或者离子注入方法）捕获并稳定存储大量的静电荷并达到饱和状态（图1b）。同时，在底部的ITO导电层静电感应出同样数量的可转移电荷。

图1：(a)液滴发电机设计;(b) PTFE表面电荷量随着液滴撞击逐渐增加并最终达到饱和

研究发现，当水滴铺展至接触Al电极时，整个装置便形成闭合的回路，存储的高密度电荷得以在ITO电极和Al电极之间发生转移，并输出电能（图2）。这样PTFE/ITO和Al电极的作用类似于场效应管中的源极和漏极，用于储存、转移电荷，而舞动的水滴则与FET中的栅极门有着异曲同工之妙。这样随着反复的液滴铺展与脱离，积存在ITO上高密度电荷(由PTFE表面电荷静电感应形成)得以在ITO电极和Al电极之间反复流动。

图2：液滴撞击导致的电荷转移

通过这样的简单而又奇妙的设计，随着反复的液滴撞击与脱离，积存在ITO上密度很高的表面电荷(由PTFE表面电荷静电感应形成)会在ITO电极和铝电极之间反复流动，从而大大提升了能量转化效率。在电荷饱和状态下，1滴100微升的水滴由15厘米的高度滴下，能够产生140V以上的开路电压，发电机产生的电能足以点亮100盏小LED灯，并且其最大功率可以达到50.1瓦特每平方米（图3）。仅仅通过体效应转换水所带的动能，这些性能均比传统设计方案高几个数量级。研究还显示，即使在较高的相对湿度下还是同样可以实现高效率的能量采集，而且雨水、甚至海水中所蕴含的环境动能都可以通过这样的发电机进行电能输出。地球上的水资源不计其数，全球表面积的70%被广阔的海域覆盖，世界年降水量近50万亿吨，这些庞大的水资源就像是开采甚少的能源宝藏。但也许在不久的将来，大规模集成的新型液滴发电机会出现在窗户、屋顶、海边，收集着这些无处不在的能源，为解决人类日渐枯竭的能源问题做出贡献。

   图3：400个LED灯珠可以被四个液滴点亮

课题组介绍

王钻开，香港城市大学机械工程系教授。2000年毕业于吉林大学并获机械工程学士学位, 2003年在中国科学院上海微系统与信息技术研究所，获微电子学硕士学位, 2008年获伦斯勒理工大学机械工程博士学位，2009年在哥伦比亚大学进行博士后研究，2009年底入职香港城市大学，现为香港城市大学工学院副院长，香港青年科学院创始成员，国际仿生学会Fellow。曾获得国际仿生学会杰出青年奖，国际文化理事会青年特别嘉奖，上银优秀博士论文指导教师奖（2016优秀奖，2019年银奖）。

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https://www.nature.com/articles/s41586-020-1985-6