想象一下這樣一種場景：在下雨天，你撐起一把傘。雨傘不止為你擋住了雨滴，還順帶把雨滴里的一部分能量收集了起來，變成了電能！
這不是天方夜譚，而是很可能會發(fā)生的事實(shí)。由香港城市大學(xué)王鉆開教授、美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校曾曉成教授和中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士合作領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，日前在《自然》雜志上發(fā)表了一篇文章，引起了國內(nèi)外媒體的廣泛關(guān)注。他們發(fā)明了一種全新概念的水滴發(fā)電機(jī)（Droplet-based Electricity Generator, DEG），只需要一滴水，就能點(diǎn)亮 100 盞 LED 燈，效率比常規(guī)的水滴發(fā)電機(jī)高出了幾個(gè)數(shù)量級。其廣闊應(yīng)用前景更是超越了水滴的范疇：小到納米結(jié)構(gòu)，大到驚濤拍岸，都可以利用這種全新的原理進(jìn)行發(fā)電。
為此，DeepTech 采訪到了這篇文章的通訊作者、香港城市大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系的王鉆開教授。他向我們詳細(xì)介紹了這個(gè)發(fā)明的“美妙之處”。
圖丨水滴發(fā)電機(jī)可以點(diǎn)亮 LED 燈（來源：Xu et al., 2020）
為了應(yīng)對日益變暖的全球氣候，我們需要越來越多的清潔電能。盡管生活中各種能量無處不在，但能拿來發(fā)電的卻并不多。例如，澎湃洶涌的江水，可以利用水壩上下巨大的重力勢能差發(fā)電；但總水量也許并不會差很多的綿綿細(xì)雨，卻由于每個(gè)水滴蘊(yùn)含的能量都太小，很難轉(zhuǎn)化為電能。
不過，一項(xiàng)新的技術(shù)，正在把水滴發(fā)電變成可能。
在小學(xué)自然課上，我們就學(xué)過，如果兩個(gè)物體相互摩擦，就會產(chǎn)生靜電。例如，在北方干燥的冬季，脫毛衣的時(shí)候總免不了一陣劈里啪啦的靜電“火花”。
與之類似，下雨的時(shí)候，雨滴滑過固體的表面，也會產(chǎn)生靜電。那么，既然靜電這么容易產(chǎn)生，能用來發(fā)電嗎？
答案是肯定的。這便是摩擦發(fā)電機(jī)的原理。只不過，由于摩擦的面積很小，一滴水所能產(chǎn)生的摩擦發(fā)電量是非常微小的。利用這種原理制成的摩擦發(fā)電機(jī)，最高的時(shí)候每平方米所能產(chǎn)生的電能還不到 1 瓦。
如何讓水滴發(fā)出更多的電？王鉆開領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)對此進(jìn)行了深入研究。他們提出了兩項(xiàng)重要的創(chuàng)新，一舉將水滴發(fā)電機(jī)的電量提高了三個(gè)數(shù)量級。
首先，是要提高靜電電荷的富集程度。
一滴水所能產(chǎn)生的電荷數(shù)量非常少，但千萬滴水就不一樣了。打個(gè)比方，某個(gè)小業(yè)務(wù)每天能給你帶來十幾二十塊錢的小收益。這筆錢，如果當(dāng)天就要花掉，那么可能買杯奶茶都不夠，起不到什么太大的作用。但如果能把一筆一筆類似的小進(jìn)帳都存下來，久而久之，就會在銀行里變成一筆幾十萬的巨款。
王鉆開團(tuán)隊(duì)采用的就是這種積少成多的辦法。他們使用了聚四氟乙烯（PTFE，也就是不粘鍋上用作涂層的特氟龍）來作為“電荷的銀行”。王鉆開表示，“聚四氟乙烯是一種很好的駐極體材料，也就是說，它的表面可以很穩(wěn)定地吸附負(fù)電荷。而且這個(gè)材料是疏水的，水可以從表面快速及時(shí)脫落。當(dāng)液滴撞擊到它的表面鋪展和脫落時(shí)，就會導(dǎo)致電荷的產(chǎn)生和分離?！?
他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過自來水液滴持續(xù)的撞擊，表面效應(yīng)就會變成體效應(yīng)：聚四氟乙烯的表面將累積起很高的電荷密度，這個(gè)電荷密度會在 16000 次撞擊之后達(dá)到最高值。也就是說，他們把一種日常生活中常見的材料，變成了類似電容一樣的儲存大量電荷的容器。
圖丨聚四氟乙烯表面電荷與水滴撞擊次數(shù)的關(guān)系。在 16000 次的撞擊后，電荷密度會達(dá)到飽和。（圖片來源：Xu et al., 2020）
在聚四氟乙烯的下面，有一層由氧化銦錫（ITO）材料制成的電極。由于聚四氟乙烯層聚集了大量的負(fù)電荷，氧化銦錫電極上便感應(yīng)出了很多的正電荷。高達(dá) 143.5V 開路電壓就此形成。這個(gè)值比普通水滴發(fā)電機(jī)高了近 300 倍。
而第二項(xiàng)創(chuàng)新在于，有了電荷，還要能把它們的能量同時(shí)釋放出來。
銀行賬戶上是有錢了，但還得能把這些錢取出來。如果攢了幾十萬卻不能用來投資、消費(fèi)，每次取現(xiàn)、轉(zhuǎn)賬的數(shù)額只有 10 塊錢，那么幾十萬也就只是數(shù)字而已?？梢酝瑫r(shí)釋放大量的電荷，便是王鉆開團(tuán)隊(duì)取得的第二項(xiàng)重大創(chuàng)新。
在聚四氟乙烯和氧化銦錫電極之外，他們還安裝了一個(gè)鋁電極。這樣一來，這個(gè)發(fā)電機(jī)就像半導(dǎo)體中的三極管一樣，擁有了三個(gè)電極。這第三個(gè)電極成為了提高水滴發(fā)電機(jī)功率的關(guān)鍵。
圖丨水滴發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和照片。其中的鋁電極是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。當(dāng)水滴展開后，會將整個(gè)系統(tǒng)變成一個(gè)連通的電路（來源：Xu et al., 2020）
水滴本是球形的，當(dāng)它剛剛墜落到固體的聚四氟乙烯表面時(shí)，并不與鋁電極接觸，整個(gè)系統(tǒng)處于“開路”，也就是電路沒有接通的狀態(tài)。此時(shí)，靠摩擦靜電所能發(fā)出的電非常少——這也是普通水滴發(fā)電機(jī)發(fā)電量少的原因。
但隨著 “砸” 在表面上的水滴鋪展開來，“奇跡”就出現(xiàn)了。隨著水滴的表面積越變越大，它逐漸擴(kuò)散到了鋁電極上。由于水滴也是導(dǎo)電的，它就在一個(gè)瞬間接通了之前本不相連的聚四氟乙烯、鋁電極和氧化銦錫電極，形成了一個(gè)連通的電路。在這個(gè)過程中，這水滴不只是發(fā)電系統(tǒng)的能量來源，更重要的是整個(gè)發(fā)電機(jī)的開關(guān)。
圖丨當(dāng)水滴與鋁電極接觸的時(shí)候，會瞬間出現(xiàn)大量的電荷轉(zhuǎn)移（來源：Xu et al., 2020）
隨著電路的接通，之前聚集在氧化銦錫電極里的大量電荷，就突然涌向鋁電極。這個(gè)電流比沒有鋁電極設(shè)計(jì)的普通水滴發(fā)電機(jī)大了 2600 倍，使得一滴水就足夠點(diǎn)亮連接在電路里的 100 盞 LED 燈。
之后，隨著水滴的收縮并逐漸離開聚四氟乙烯的表面，正電荷開始回流，并在水滴與鋁電極脫離接觸的一剎那，所有正電荷全數(shù)流回氧化銦錫電極。研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多次循環(huán)，電路里轉(zhuǎn)移的電荷數(shù)量并不會減少。“美妙的是這個(gè)電容器里的能量基本上是恒定的，因?yàn)楸砻骐姾傻膩G失也會因?yàn)楹竺嫠蔚牟煌＝德涠玫窖a(bǔ)充”，王鉆開表示。只要有水滴不斷地滴下來，這臺發(fā)電機(jī)就可以長時(shí)間、連續(xù)地工作。
經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)可以將一滴自來水中所蘊(yùn)含能量的 2.2% 轉(zhuǎn)化為電能，比之前的水滴發(fā)電機(jī)高出了幾個(gè)數(shù)量級，每平方米在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的最大電能可達(dá) 50.1W，也比之前提高了幾千倍。而且，這個(gè)轉(zhuǎn)化率還可以繼續(xù)優(yōu)化和提高。
更加難能可貴的是，這還是一個(gè)一點(diǎn)也不 “嬌氣” 的發(fā)電系統(tǒng)。他們進(jìn)行了一系列的測試，發(fā)現(xiàn)不論是雨水、自來水，還是海水，都能利用這種原理發(fā)電。而且，不論環(huán)境濕度是 65% 還是 100% 也都沒關(guān)系。這就意味著，這種設(shè)計(jì)可以有廣泛的應(yīng)用前景。
當(dāng)然，這還只是一個(gè)原型機(jī)，相比于水力發(fā)電系統(tǒng)動輒 80% 以上的效率，水滴發(fā)電機(jī) 2.2% 的效率還是太低。但王鉆開表示，這只是一個(gè)很小的體效應(yīng)單元，它清楚地展示了水滴撞擊后電荷的產(chǎn)生和釋放過程。這個(gè)過程揭示的是一種全新的發(fā)電原理，利用的則是之前很難利用起來的能量來源。
圖丨這種原理也可以用來從浪涌中獲取能源（圖片來源：Wikimedia Commons）
“這是一種具有普適性的發(fā)電方式”。王鉆開認(rèn)為，不只是雨傘這樣的利用水滴發(fā)電的設(shè)備，小到納米結(jié)構(gòu)、大到堤壩上的浪涌，只要存在固體和液體之間的相對運(yùn)動，都可以利用這種原理發(fā)出電來。也許有朝一日，這種技術(shù)也能和太陽能、風(fēng)能一道，成為人類清潔未來的能量來源。
