“纳米发电机之父”王中林获爱因斯坦世界科学奖 系首位获此殊荣的华人

发布时间:2019-06-17

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6月14日,2019年度“阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖”揭晓。中国科学院外籍院士、中国科学院大学纳米科学与技术学院院长、中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家王中林斩获这一世界性的大奖,成为首位获此殊荣的华人科学家。

王中林是国际公认的纳米科学与技术领域的领军型科学家。2006年,王中林成功地研制出世界上最小的发电机——纳米发电机,被誉为是“纳米发电机之父”。他同时也是压电电子学和压电光电子学两大学科的奠基人。去年,王中林获得世界能源领域最权威、最负盛名的奖项——埃尼奖,成为获埃尼奖的第一位华人科学家。

无需电池的心脏起搏器

2011年,有学生在测试一款纳米发电机时观察到了5V的电压信号,起初大家以为这是一个误差——数值比预想的要高出一个数量级——但王中林觉得其中或许另有玄机。仔细研究发现,原来这次测试器件使用的材料表面比较粗糙,在实验中封装不稳,发生了滑动,造成了摩擦起电。王中林顿时想到:为什么不把这个效应利用起来呢?

经过整整一年的探索,2012年初,王中林团队终于构建了一个全新的纳米器件:摩擦纳米发电机。这个装置可以把微小的机械能转换为电能。更重要的是,摩擦发电具有极强的输出性能,可以实现高达数千伏的电压输出。通过小巧的摩擦纳米发电机,可以把走路、呼吸、心跳等日常中的零碎能量收集起来,转换成电能。这一颠覆性的技术与传统电磁感应发电机相比,无需磁铁的累赘,轻便简捷,输出性能很好,为有效收集机械能提供了可能。

两年后,王中林与合作者设计制备了可用于生物体内能量收集的植入式摩擦纳米发电机,并将其植入大鼠体内,成功收集并转化了大鼠呼吸运动所产生的能量,再以电能的形式储存起来,最终实现了心脏起搏器原型机的驱动。

今年,王中林团队研制出了真正意义上的自驱动心脏起搏器——共生型心脏起搏器(SPM)。试验显示,目前在每一个心脏运动周期SPM可获得能量0.495微焦耳,高于心脏起搏器发出一次起搏电脉冲的阈值能量(通常为0.377微焦耳)。换句话说,SPM在每次心动周期所收集的能量已经超过了起搏人类心脏所需要的能量。目前,SPM已在实验动物(猪)体内实现了“全植入”的自驱动运行,并成功开展了大动物模型心律不齐的治疗。下一步,团队的研究重点是植入式器件的小型化、长效的生物安全性等,预计有望在5至10年内开展临床试验。

世界科学奖评选委员会评价他,在纳米发电机和自供能系统研究方面做出了影响深远的开创性贡献,并认为这一技术“有潜力彻底改变我们生活的每一个角落”。

颠覆性海洋能采集方式

“蓝色能源”与传统“绿色能源”相比,拥有地理分布上的优势,海洋覆盖了地球约70%的表面,全球约44%的人口都居住在距海岸线150千米的范围内,人类向大海索取资源已成为必然趋势。海洋波浪能具有能量密度高、分布面广等优点,据估计地球上海浪中蕴藏着的能量相当于90万亿千瓦时的电能。美国、日本、英国、西班牙等相继在海上建立了波浪发电装置,然而普遍存在发电功率小、发电不稳定、转换效率不高等缺陷,特别是在小浪时,捕获波浪能效率不高。同时,海洋能发电设备庞大而沉重,制造成本高昂,使海洋能成为地球上最昂贵的一种能源形式。

王中林利用摩擦纳米发电机的原理,为收集利用海洋能源提供了新的解决方案。摩擦纳米发电机的输出效率远高于电磁发电机,非常适用于收集蓝色能源,在缓慢流动和随机方向的波流条件下能够稳定输出功率。他介绍,团队将摩擦发电机做成了球形,通过球中套球,外层的球在水中随波浪晃来晃去,里边的球也随波动晃来晃去,产生发电所需的能量。“这种发电网采用聚四氟乙烯、橡胶、聚全氟乙丙烯等传统材料,价格低廉,适用于大规模生产和商业化。它可以分布在远离海岸和航道的深水区,不会影响近海的人类活动。”

在王中林看来,“蓝色能源”有着巨大的优越性,有望超越“绿色能源”,成为比太阳能板和风力涡轮机更便宜、更可靠、更稳定、不依赖于天气与昼夜变化的可持续能源这一备受瞩目的海洋蓝色能源技术,被评选委员会称为“有可能从海浪中获取大量能源以解决世界未来的能源需求。”

此外,评选委员会对王中林的个人品质和学术水平作出了高度评价,认为他是一位“天生的领导者,总是非常善良,鼓舞人心,充满活力,对与他合作的每个人都有积极的影响”。

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