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科學(xué)家開(kāi)發(fā)透明柔性摩擦電發(fā)電機(jī)問(wèn)世
2012-07-13
中國(guó)科技網(wǎng)訊 據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)7月10日?qǐng)?bào)道，由美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組稱，他們?nèi)涨伴_(kāi)發(fā)出了一種透明的柔性摩擦電發(fā)電機(jī)。這種微型發(fā)電機(jī)能將散步這樣的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電，能“感覺(jué)”到一根羽毛飄落下來(lái)產(chǎn)生的壓力，能用來(lái)制造自供電的觸摸屏，在電子產(chǎn)品、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及醫(yī)療設(shè)備制造等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
摩擦電是自然界中最常見(jiàn)的一種現(xiàn)象之一，無(wú)論是梳頭、穿衣還是走路、開(kāi)車都能遇到。但同時(shí)它們又很難被收集和利用，因此也往往被人視而不見(jiàn)。在新研究中，由美國(guó)佐治亞理工學(xué)院教授王中林領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，借助柔性高分子聚合物材料成功地將摩擦轉(zhuǎn)化成為了可供使用的電力。
這種摩擦電發(fā)電機(jī)依靠摩擦點(diǎn)電勢(shì)的充電泵效應(yīng)，通過(guò)聚酯纖維薄片與聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄片的摩擦來(lái)產(chǎn)生電力。借助一種分離技術(shù)，當(dāng)摩擦發(fā)生時(shí)，兩層聚合物薄膜之間產(chǎn)生電荷分離并形成電勢(shì)差，經(jīng)由外部電路即可形成電流。在摩擦中，聚酯纖維產(chǎn)生電子，聚二甲基硅氧烷則負(fù)責(zé)接收電子。此外，外部的按壓產(chǎn)生的機(jī)械形變也能使它們發(fā)生摩擦產(chǎn)生電力。
雖說(shuō)光滑的表面在相互摩擦?xí)r也能產(chǎn)生電荷，但這些電荷的數(shù)量并不能滿足應(yīng)用的需要。于是王中林和他的團(tuán)隊(duì)通過(guò)改變摩擦表面圖案的方式來(lái)產(chǎn)生更大的電流。研究人員分別對(duì)線條、立方體和金字塔三種圖案進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)金字塔圖案的表面在摩擦?xí)r加速了電荷的形成，更利于電荷的分離，能產(chǎn)生最多的電流，極大地提高摩擦電發(fā)電機(jī)的效率。
為了制造這種微型摩擦電發(fā)電機(jī)，研究人員首先借助光刻和蝕刻工藝，用硅片制造出一個(gè)模具;而后將液體的PDMS和一種交聯(lián)劑混合在一起后涂抹到模具上，等待冷卻后就形成了一張薄膜;最后再將兩種獨(dú)有金屬電極的高分子聚合物薄膜銦錫氧化物(ITO)與聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜貼合在一起，形成三明治結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種具有微結(jié)構(gòu)陣列的摩擦電發(fā)電機(jī)的輸出電壓可達(dá)18伏，每平方厘米可產(chǎn)生0.13微安的電流，峰值電流可達(dá)0.7微安。
由于這種摩擦電發(fā)電機(jī)采用透明的柔性材料制造，未來(lái)它將有望取代目前普遍使用的觸摸顯示裝置。此外，該摩擦電發(fā)電機(jī)還可以用作高靈敏度。研究人員稱，這種壓力傳感器非常敏感，即便是落下的水滴或是飄落的羽毛這樣的微小壓力也會(huì)被準(zhǔn)確地“感覺(jué)”到，該裝置有望在有機(jī)電子材料和光電系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。
研究人員稱，這種微型發(fā)電機(jī)制造工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，能很方便地進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用。同時(shí)它還具有極好的耐久性和可加工性，可輕松融入其他產(chǎn)品的設(shè)計(jì)當(dāng)中。
王中林說(shuō)：“摩擦無(wú)處不在，這賦予了摩擦電發(fā)電機(jī)廣泛的應(yīng)用前景。但它并不會(huì)將我們之前發(fā)明的氧化鋅納米發(fā)電機(jī)取而代之，它們各有優(yōu)勢(shì)，在很多方面能并存且相互補(bǔ)充。”
這項(xiàng)研究由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、美國(guó)能源部和美國(guó)空軍贊助。相關(guān)論文發(fā)表在6月出版的《納米快報(bào)》雜志上。
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