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    成功秘訣愛因斯坦 [華人科學家獲愛因斯坦世界科學獎 稱成功秘訣是保持饑餓感]

    時間:2019-06-16 18:31:38 來源:個人圖書館網 本文已影響 個人圖書館網手機站

    大洋網訊 6月14日,2019年度“阿爾伯特·愛因斯坦世界科學獎”揭曉,中國科學院大學納米科學與技術學院院長、中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家、美國佐治亞理工學院終身講席教授王中林斬獲這一世界性的大獎,成為首位獲此殊榮的華人科學家。王中林教授在接受記者采訪時曾表示,納米發電機是一個劃時代的發明,將來身穿“發電衣”就能為手機充電。

    中國科學院大學日前發布消息,6月14日,2019年度“阿爾伯特·愛因斯坦世界科學獎”揭曉,中國科學院大學納米科學與技術學院院長、中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家、美國佐治亞理工學院終身講席教授王中林斬獲這一世界性的大獎,成為首位獲此殊榮的華人科學家。該獎項評選委員會評價王中林教授在納米發電機和自供能系統領域做出了開創性的重大貢獻,認為這一領域“將對人類和我們社會的可持續發展產生巨大的利益”,“有望在不久的將來改變世界”。而在去年11月,王中林教授在接受本報記者采訪時曾表示,納米發電機是一個劃時代的發明,將來身穿“發電衣”就能為手機充電。而他認為自己取得如此大的成就,一是不吃老本,時刻保持對新知識的饑餓感;二是堅持不懈,鍥而不舍。

    王中林

    時隔8個月后再獲國際大獎

    愛因斯坦世界科學獎是一項著名的世界性科學大獎,由世界文化理事會設立,每年頒發一次,目的是表彰和鼓勵世界科學技術領域的重大研究進展,授予為人類帶來福祉的杰出科學家。該獎獲獎人由來自50個國家和地區的124位世界著名科學家組成的跨學科委員會選出,委員會成員包括25名諾貝爾獎得主。

    王中林院士憑借在微納能源和自驅動系統領域的開創性成就獲得本年度愛因斯坦世界科學獎。世界科學獎評選委員會對王中林教授的科學成就給予高度評價,認為他在納米發電機和自供能系統研究方面做出了影響深遠的開創性貢獻,使人類從環境和生物系統中獲取能量這一全新的技術成為現實,并認為這一技術“有潛力徹底改變我們生活的每一個角落”,“有望在不久的將來改變世界”。

    就在8個月前,2018年10月22日,王中林剛剛獲得世界能源領域最高獎、被譽為“能源界諾貝爾獎”的埃尼獎被。埃尼獎是世界能源領域最權威獎項,與計算機界圖靈獎、數學界的菲爾茲獎及沃爾夫獎等并稱為自然科學領域性的最高獎項。王中林院成為獲得埃尼獎的第一位華人科學家。他的一大成就就是發明了納米發電機。英國《新科學家》雜志把納米發電機評為影響未來、10-30年以后有可能和手機的發明具有同等重要性的十大重要技術之一。 

    2

    2018年10月22日,意大利總統馬塔雷拉為王中林(左一)頒發埃尼獎獎章   

    將來走路心跳脈搏都可以發電

    王中林院士是國際公認的納米科學與技術領域的領軍型科學家。他首次發明了納米發電機和自驅動納米系統技術,被譽為“納米發電機之父”。

    王中林院士告訴記者,通過比頭發絲還細的纖維絲長出極微小的納米線,只要受到拉車、摩擦或微風吹拂就可以自行發電。這意味著,你只要穿上納米材料制作的“發電衣”,只要你動,就能發電。根據模型估算,用這樣的纖維制成的織物,每平方米輸出功率可以達80毫瓦,足以驅動一部隨身聽或者為一塊手機電池充電。“將來,只要我們穿著納米纖維材料的衣服,就再也不用為隨身所帶的電子設備沒電而煩惱了,因為我們的衣服本身就是一個納米發電機,可以發電。”

    他舉例說,長滿納米線的纖維絲就像女士卷發用的發卷,將兩個發卷平行放置,給其中一個鍍上金或其他金屬,金屬可以和氧化鋅形成類似二極管的導電效應。最后在馬達的帶動下,兩個“發卷”相互錯動摩擦,一拉一松,由于氧化鋅的“壓電效應”,納米線的形變便能產生電能。

    王中林的“納米王國”示意圖

    王中林說,任何一項發明,如果它的應用成本很高,材料很難獲取,那終究會影響它的推廣價值。這一發明可以用來收集人體運動、肌肉收縮、血液流動、聲波、超聲波等所產生的能量,將其轉化為電能提供給納米器件,讓納米器件實現能量自供。這些昔日白白被浪費掉的能量都會被利用起來。發電效率達到17%-30%的,為自發電的納米器件奠定了基礎。

    其次,材料都是安全的,整過程無排放、無污染,堪稱最具潛力的綠色發電。納米發電機的重要性怎么強調都不為過。以前不論多小、多靈敏的元器件,都要加上一個尺寸較大的傳統電源,就好比螞蟻拉著一頭大象。傳統電源,比如電池,都需要定期更換。在未來的物聯網時代,如果所有的移動終端,包括很多小器件,有些傳感器比指甲蓋還要小,如果它們都需要依賴電池充電的話,物聯網就沒法實現。

    納米發電機將是電源領域革命性的一步,納米器件的電力供應將從傳統電源轉變為納米電源。其在生物醫藥、無線通信和無線傳感等領域將有非常廣泛的應用前景。它可以整合納米器件,實現整整意義上的納米系統:可以收集機械能、流體能量等轉化為電能,提供給納米器件,讓納米器件實現能量自供。這是解決未來能源問題的基石,也為物聯網技術的實現提供了可能性。

    2018年10月,王中林在埃尼獎頒獎現場

    對話王中林:成功只因時刻對新知識保持饑餓感

    記者:你是如何進入納米研究領域的?

    王中林:1987年我從亞利桑那州立大學博士畢業后,在物質與電子交互作用這一基礎物理領域工作了很長時間,主要從事彈性和非彈性散射理論研究。我還在高溫超導方面做了很長時間研究。我決定轉到納米領域是因為我意識到我所從事的理論的局限性——我的研究可能不會有太大影響。于是我將全部時間投入到納米研究,我在學生時代就從事透射電子顯微鏡研究,觀測原子核極小尺度表面,所以,轉向納米研究也是很自然的選擇。我博士論文做的就是納米方面的,當時不叫納米,叫small particle,小顆粒。可以說,我是從1983年開始做納米研究的。

    記者:你為何在2000年調轉了研究方向?

    王中林:我在碳納米管方向上工作了三四年后,就開始思索這種納米結構有多大應用前景。納米管是金屬還是半導體取決于其螺旋屬性,由于當時人們很難控制納米管的空間螺旋性,它的導電屬性通常是隨機出現。我當時想,為什么不用氧化物,后來我就開始用氧化鋅了。氧化鋅有很容易控制的結構,它是光學透明的半導體,具有壓電性,即可以將機械信號轉化為電信號或將電信號轉化為機械信號,并且具有可控的形貌和結構,它還可以在50-80度的相對低溫下合成,用化學燒杯就可以在任意形狀的襯底上生長。它還具有生物相容性,也就是說對生物體是安全的,是綠色材料。

    氧化鋅是一項極其重要的材料。英國《物理世界》2008年曾刊文說,在物理范疇,氧化鋅納米材料是和暗物質、量子計算、半導體薄膜、碳納米管具有同等重要的地位和影響。2008年全世界發表的有關氧化鋅納米結構的文章就超過了600篇,我2001年發表的氧化納米帶一文正是所有這些文章的開創篇。

    記者:如果氧化鋅這么有用,之前為何沒有人研究呢?

    王中林:當時大家講主要精力用在碳納米管上。你需要足夠都要勇氣轉換方向到一個全新的領域,我是完全舍棄了碳納米管這個方面而轉向做氧化物的。現在看來,當時的決定顯然是正確的。這樣做當然是有一定的冒險性,因為誰也不能保證氧化鋅的研究能成功。

    記者:氧化鋅的研究和納米發電機之間有何關聯?

    王中林:納米器件具有尺寸小、功率小、反應靈敏等優勢。但之前所有研究都是集中在納米器件本身,沒考慮它的電源問題。這些微小器件工作必須要有電源,只有實現了自帶電源的納米器件才能被視為真正的納米系統。這將在生物醫學、軍事、無線通信、無線傳感等領域都有廣泛應用。

    生活中機械能無處不在,走路的腳步、心臟的跳動、肌肉的拉伸、空氣的流動、馬路上的噪聲、微風。能把這些能量轉化成電能嗎?2005年,我的學生宋金會發現了解決難題的方法。我們利用豎直結構的氧化鋅納米線的獨特性,在原子力顯微鏡AFM的幫助下,研制出將機械能轉化為電能的世界上最小的發電裝置——納米發電機。利用氧化鋅納米線容易被彎曲的特性而在納米線內部和外部分別造成壓縮和拉伸。同時,豎直生長的氧化鋅具有半導體性能和壓電效應。我們用導電AFM的探針尖去彎曲單個氧化鋅納米線,輸入機械能。由于氧化鋅的半導體特性,我們把這一特性和氧化鋅納米線的壓電性耦合起來,用半導體和金屬的肖特基勢壘將電能暫時儲存在納米線內,然后用導電的AFM探針接通這一電源,向外界輸電,進而實現了機械能到電能的轉換。

    記者:納米發電機被視為劃時代的科學發明,甚至被評為可以與手機發明具有同等重要性的技術。你如何看待它的重要性?

    王中林:納米發電機的重要性我覺得怎么描述都不為過。它的發明不僅為實現能源系統的微型化帶來了可能,更重要的是,對于實現具有完全無線,可生物植入,以及長時期甚至終生無需照管的納米或微電子器件,納米發電機提供了一種理想的電源系統。

    要使納米發電機能廣泛應用到各個方面,最重要的環節就是要降低納米發電機的響應頻率,使納米線陣列在諸如幾個赫茲的低頻震動下也能完成機械能到電能的轉變。我們利用溶液化學方法將氧化鋅納米線沿徑向均勻生長在纖維表面,然后運用兩根纖維模擬了將低頻震動轉化為電能的過程。這就為實現柔軟、可折疊的電源系統,比如發電衣等打下了基礎。

    我們利用交流納米發電機的原理,實現了利用生物體活動帶動的發電機。比如,微小的手指敲動和肢體運動來產生電能。將幾個交流納米發電機固定在一個彈性馬甲上,穿在倉鼠身上,倉鼠的跑動來帶動馬甲的拉動,馬甲的拉動又會拉升氧化鋅納米線,進而將這種跑動能量轉化為電能。實驗結果表明,在倉鼠跑動下工作的納米發電機可以產生高達兩百毫伏的電壓。

    傳統的發電機要求機械運動的強度必須大到足以帶動轉子的轉動,所以只能用來收集比如人的退步運動等高強度的機械運動,但納米發電機可以收集從低頻到高頻,從輕微運動到劇烈的機械能,并將其轉化為電能。其次,通常我們說的電流是傳導電流,而納米發電機是通過位移產生電流。比如說,你穿一件這種材料的衣服,你在跑步、走路,你的衣服被微風吹動,你的衣服就能成為一個發電機,從而將你身體的各個健康指標傳輸出來。將這個做在鞋墊里面,人走路可以驅動發電,供給傳感器和GPS,可以用于人體康復和定位。我們還可以將其集成進生物系統,用肌肉運動發電,用血液流動發電,還可以用聲波、噪聲、微風等發電。過去心臟起搏器需要定期更換電池,如今我們已經利用小白鼠的呼吸來驅動心臟起搏器,如果用到人體,僅通過呼吸就能夠驅動心臟起搏器。某種程度上,你可以說,納米發電機為解決新時代的能源問題提供了一種出路,它是新時代能源的基石。

    記者:摩擦納米發電機的發明是不是也具有偶然性?

    王中林:2011年,我讓學生去做電紡絲仿壓電材料發電,學生去做測時發現,以前輸出電壓本應該是1伏,但最近幾次實驗,輸出電壓竟然達到5伏以上。后來調查原因時發現,是學生在做納米發電機的時候沒有封裝好所致。后來我對學生的實驗進行了改進,發現,兩種高分子材料相接觸的過程中可以產生電,就發明了摩擦納米發電機。摩擦發電裝置簡單、輕巧,在未來可以被應用于可穿戴設備、便攜設備的充電等,還可以用作給做終端傳感設備供電,在航天、通信領域都有很廣泛的應用。

    記者:納米發電機要轉為應用,還需要做哪些工作?

    王中林:前幾年我們一直在做的是提高納米發電機的發電電壓。如果我們可以達到零點幾伏電壓,比如0.5伏,它就會非常有用,就可以將其用于生物探測器,比如癌癥探測器、血糖探測器等生物探測器。納米新能源的產業化,正是我未來5年的工作方向,我預計,5年內納米能源的利用會達到高峰。當然,要走的路還很長,必須首先開發多根納米線同時不斷地輸出功率的技術,要探索納米線的損耗和壽命問題,解決納米發電機和生物體的相互作用等。

    記者:你能取得這么大的成就,秘訣在哪里? 

    王中林:一是不吃老本,時刻保持對新知識的饑餓感;二是堅持不懈,鍥而不舍。做科研不能由吃老本的心態,要把眼光放在未來的工作上。搞科研就像爬坡,直上直下有時很困難,盤旋著螺旋上升,繞一下反而會容易很多,換個思路講短期的結果應用于其他領域,有時會產生“柳暗花明又一村”的驚喜。

    廣報全媒體記者肖歡歡

    圖片由中科院北京納米能源與系統研究所提供

    [ 編輯: 郭夏凡 ]

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