納米發電機如何工作？

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納米發電機的基本原理和現狀以及前途

首先明確一點，發電機是把動能或及其它形式的能量轉化成電能的裝置。三峽大壩下面的是發電機，核電站里的是發電機，這些發電機發的電供應了人們的照明取暖等日常生活。而納米發電機，只是比它們小很多而已。

其他回答里也有提到王中林的工作，我簡單回答下他所提出的納米發電機的基本原理。

其實原理很簡單，就是壓電效應。以王中林一直研究的ZnO(氧化鋅）為例，這是一個非中心對稱的材料。Zn帶正電，O帶負電。在沒有外力的情況下，正負電荷中心重合，材料表現得不帶電；而當受到外力的時候，材料會發生一定的形變，從而使得正負電荷中心發生偏移，從而產生一個電勢差。這樣，機械能就轉化為了電能。

不過，如果你想利用這種方法來發電照明煮飯，那你可以腦補你抱著一塊壓電材料猛按的場景。。。那不現實。這種形變發的電實在少的可憐。雖然不能拿來煮飯，但人們還是能測量到這微弱的電信號，通過觀察電信號的改變來定量地探測出外界的影響。這種應用，就叫感測器。

想像一根鐵棍，你怎麼使勁都不能掰彎它（使之發生形變）；而一根針，你很容易就能掰彎。王中林他們就做了這樣的工作。他們生長了特定形貌的ZnO納米材料，並將其製成了器件。這樣，非常微小的外力就能夠使得納米ZnO發生顯著的形變，從而產生電勢差。王中林曾在我們島上做過很多次報告，我印象最深刻的是一次他說他們把這樣一個器件綁到人的手腕上，通過脈搏來發電，並記錄下了電脈衝的波形。中醫里不是說人有各種各樣的脈象嗎，不過這些都是老中醫摸出來的，誰知道是怎麼回事。用這個裝置，各種脈象就一目了然了！這不是讓中醫科學化的重要發現嗎^_^ 不過這方面後續的研究沒太關注，不知道有沒有進展。想來王也只是給你秀一下，看，這麼微弱的信號我們都能探測到。

還是拿鐵棒和針來比喻。我握著鐵棒，你將手腕搭在鐵棒上，讓我給你號脈，如果我能感覺出震動，只能說明你帕金森了。不過，如果是通過一根針來感知你的脈搏，還是有可能的。利用壓電效應製備出的這種納米發電機/感測器，就能探測到這樣細微的變化。

雖然發的電量小，但如果給這種納米發電機加上一個電池，積少成多，還是有應用的價值。比方說，心臟起搏器上安裝這樣的裝置，通過心臟的震動發電，並收集起來供起搏器自帶的電源耗盡後使用，這樣就能延長起搏器的壽命了。

其實搞凝聚態或者搞材料的，很多東西原理很簡單，大家都知道，難就難在製備和實現上。王中林在2003年就在納米氧化鋅中發現了壓電效應，做了3年才在2006年發表了第一個器件的工作。首先把材料做出來，你就成功了。別人再也贏不了你。當然，王中林此時在材料上領先別人的不是一點半點。他接著首先提出壓電電子學這個概念。既然原理沒問題，器件實現了，後面就是提高性能，並把自己提出的概念炒熱，讓大家都來跟在我的屁股後頭。可能近期他的工作在原理上沒有太大創新，也許這就是 @唐文勝的答案中認為他後來灌水較多的原因吧。不過從材料、工程的角度來看，他的工作仍然是十分出色的。中科院專門成立了一個中國科學院北京納米能源與系統研究所讓他來擔任所長，這個所也就專門研究納米發電機這方面的研究。想來國家也發現這方向大有可為，於是布局希望能搶佔先機吧。

感嘆一下，材料做得好實在非常重要啊。量子反常霍爾效應的理論預言早就有了，而只有薛其坤老師發現，就是因為只有他們組才能製備出能觀察到這一現象的材料啊。

跑題了，還是回到納米發電機這一話題。總而言之，王中林提出的納米發電機原理上是成立的，並且已經有了初步的器件，而且器件的效率在逐步提高。它和我們傳統意義上的發電機完全不同，它們不能互相取代。由於現在器件納米化、小型化、自動化的趨勢，納米發電機的應用前景必然十分廣泛。上面 @姬明泰已經提到很多應用了，我就不多說了。

短的回答：永動機。。恩。。不完全是，不過很接近了。

呵呵，我一部分的研究就是這方面的。這個問題的答案實在是可以寫好幾本書了。。我盡量簡易的概括一下。納米發電機大體來說可以分成兩種：一種有自帶的原料，一種從旁邊環境吸取能量。
第一種包括微型或納米形燃料電池或電抗器或者微型放射性同位素髮電機。這一版用微機電工藝做出來的微型發電機。第一種用化學燃料而第二種用某種輻射物質。這些一般都是自我封閉的。

第二種從環境吸取能量的研究比較多，因此也比較雜，也叫做能源回收或能源轉換。最簡單的包括了微型太陽能電池。不過現在最熱門的是吸取動能或熱能。射頻能量，例如WiFi，3G, GSM等的輻射，也可以被回收。身體內，化學或菌累能源轉換也有研究。動能包括另外答案說到的從人體走動，也可以包括機械和基礎設施發射的動能。例如橋樑，隧道，人群走過的路，火車開過的軌道等等。動能無處不在。熱能當然也包括人體或者任何其它設施上的熱能。

這些新科技可以提供微型和方便的電能供應。跟傳統發電傳電不一樣的是，這不是集體發電然後從上往下傳電。這是在應用電器的地方給每個用戶器件發電。未來，有可能包括手機或隨身聽，不過現在可發電能功率可以達到幾百微瓦就不錯了。目前和未來幾年的應用主要是給無線感測器網路的每個微塵感測器發電。傳統都用電池，而電池當然需要換。這些西東回收能源的發電器可以無限的補給電能。全世界在未來的十年內會有上百億的無線感測器檢測無數的系統和基礎設施。現在已經有很多投入使用了。這些系統在我們未發覺的情況下保證我們的安全，例如保證千里長的天然氣運輸管沒有泄露，火車軌道是健康的，橋樑安全，飛機沒問題等等。今天的高端車已經有上千個無線感測器來不停的安全檢查車的每一個系統，大多都是用電池維持的。定時的換這些電池極不方便又很貴（主要是專業人工費）。

還有個很熱門的方向是醫學，例如可植入醫療裝置：起搏器或生理觀察器。給這些換電池那根本就是拿病人的生命開玩笑。未來心臟病病人做完起搏器手術後，起搏器就會有一個微型能源轉換器來無限的給起搏器發電。雖然材料不可能真的無限，不過幾百年是可能的。

還有就是隨著其它納米技術的發展，更多微型和納米機電系統的研發和普遍應用，給每個獨立的微型系統發電是很要緊的。每個頭髮大小的系統不可能還用傳統電池來發電。打個比方，現在很熱門的生物感測器研究可以在未來（可能二、三十年後）的牙刷裡面有自動智能設備給你在每天早上刷牙的時候做個身體檢查，然後自帶的無線電發送到你醫生那邊。而這些你看也看不到，摸也摸不找的微型系統都可以有同樣大小的微型發電機來發電，或許可以回收你刷牙時的動力。這可以幫你提早發現以及防禦疾病。在未來，這些微型科技，互相的支持，可以在我們生活中每一個角落裡，幫助我們，無處不有卻也無處可見。

不請自來。。。
先自掛東南枝，我是上文提及的北京納米能源所的童鞋，匿了。
確實，現在所里發展方向是王中林院士主導納米發電機，分為兩個，一個是壓電方向，另外一個是摩擦，嗯，別想歪，確實是摩擦（為什麼此刻我的腦海里浮現出滑板鞋。。。）
壓電是以氧化鋅為主的進行發電機方面的研究，這個，咳咳，個人覺得還是作為感測器比較靠譜，轉化和輸出確實低，當然樓上說的用作微型能源的供給，還需要很長的路要走。
摩擦其實就是利用接觸起電效應結合電容從而將感生電荷傳導出來，摩擦的話確實能夠達到幾百伏的電壓輸出，但是內阻太大，G歐級別，電流很低，電荷少，使用起來阻抗匹配。。。就不說每天被靜電電得死去活來了，單單摩擦發動機到應用真的還有很長的路要走，接觸材料的耐磨性，期間的設計以及安全性等等等等，還需要很長時間啊啊啊啊啊
對了，最近王所提出產業化。。。目標是好的，動機是純的，但是路也是很長很坎坷的。希望那款讓大家邁著魔鬼的步伐就能給個體供電的產品早日問世。

只能呵呵了
王教授給俺們作報告
特別像個商人…

還是傳銷的那種…

貌似有醫學應用前景誒。。。微觀世界的東西肯定沒法在日常生活中應用。

目前這只是一個很新的概念，可以灌很多文章，去搜他的文章看吧。