撰文丨王钻开课题组
来源丨纳米人nanoer2015
导读
近日，香港城市大学机械工程系王钻开教授，美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作，提出一种三极管型水滴发电机（droplet-based electricity generator, DEG），使得水滴机械能转化为电能的功率得到3个数量级的提高。4滴体积为100微升的水滴从15厘米的高度释放，可以瞬间点亮400盏LED小灯泡。相关论文以“A droplet-based electricity generator with highinstantaneous power density”为题发表在Nature上。
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。从能源开发的角度考虑，其蕴含着巨大的机械能。如何有效的将低频的无序的水运动的能量高效收集起来，是近年来能源领域的研究热点之一。
液滴发电机由铝（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1)，这种结构与场效应晶体管结构（FET三极管）很类似。作为集成电路的最基本单元，三极管的发明深刻的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。
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，而动态的水滴则与FET中的栅极门有着异曲同工之妙。栅极作为一个开关，使源极和漏极之间形成通路，表面储存的大量电荷可以藉此得以释放。
3个数量级的功率提升
由于类FET结构和高表面电荷密度这两个因素的巧妙结合，新型液滴发电机展现出超强的发电效率：仅仅一个100微升的水滴从15厘米的高度撞击到装置表面，可以产生超过140 V的电压、200 μA的电流，并且其最大功率可以达到50.1 W m-2（图4），这些性能均比传统液滴发电机设计方案高几个数量级。
不仅如此，新型液滴发电机透明、光滑，且对高湿度、低温等多种极端环境，均有较强的抵抗能力。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。
2）这种新型的液滴发电机和传统摩擦发电机相比，主要创新点在哪里？
3）这项研究中，遇到最大的困难是什么？如何解决的？
王钻开教授：如果说困难，那就是关于电荷分离的问题。为了保证发电机高效工作，水滴撞击表面后，需要尽快离开表面。我们最初尝试了超疏水材料，但是考虑到目前超疏水材料的耐候性差的特点，最终还是选择了普通的平面。我们发现，这种简单的设计，也能得到非常好的效果。
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文章链接
https://www.nature.com/articles/s41586-020-1985-6
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