資訊科技

奈米發電機

只需要呼吸、走動甚至是血液流動時的微小能量,就可以驅動奈米級的發電機!

撰文/王中林(Zhong Lin Wang)
翻譯/宋宜真
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資訊科技

奈米發電機

只需要呼吸、走動甚至是血液流動時的微小能量,就可以驅動奈米級的發電機!

撰文/王中林(Zhong Lin Wang)
翻譯/宋宜真
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重點提要
■奈米科技的潛力無窮,但是這些微小的裝置必須有比電池更好的電力來源。
■由振動甚至人體脈搏所浪費掉的能量,就可以提供足夠的動力來驅動這類的小機件。
■壓電奈米線陣列可以捕捉這些浪費掉的能量,並傳送給奈米裝置。
■醫療裝置將會是最主要的應用項目。它們可以為起搏器的電池充電,因此不需要更換電池,也可以植入無線奈米偵測器,以監測糖尿病患的血糖濃度。

1920年代的鐘錶匠製造出的自動上發條手錶,來自一個偉大的點子:以機械的方式從戴錶者晃動的手臂獲取能量,重新上緊手錶發條。

今天,我們則打算製造極小的能源獲取器,來為奈米儀器的小小世界供應電力。這些東西稱為「奈米發電機」,由於它們有能力在微小的尺度內產生電力,我們便能開始設法讓有些東西不須更換電池就能運作,像是可以持續監測病患血糖濃度的植入性生物偵測器、會自動拉緊橋墩的結構偵測器,或是偵測有毒物質的環境偵測器等。此外,奈米機器人、微機電系統(MEMS)、國防安全,甚至可攜式個人電子用品,都亟需電力來源。我們很難想像,最後可以找到這麼精細微小的發電器,為上述電子儀器供電。

研究人員正以數種不同的方式來研發這種小型發電器,包括利用隨機的震動或移動(例如鐵軌附近)、溫度梯度(例如地底數公尺的溫度比起地表來會穩定得多)、生化,或是外來能源(如超聲波甚至可聽見的雜音)等。

奈米儀器和奈米系統的關鍵優勢在於,它們通常只要奈瓦到微瓦這種十分微小的電力就可以運作了,就想想人體可能的供電來源好了:機械能、熱能、震動能、化學能(以葡萄糖的形式提供)以及循環系統的液力能,只要將這些能量的一小部份轉換為電力,便足以驅動各式各樣的微型裝置了(參見118頁〈你的身體可以產生多少能量?〉)。

驅動奈米級裝置

1990年代後期,微型裝置發電器的研發工作開始有了快速的進展,因為當時可攜式電子儀器的數量激增,吸引不少研究人員去尋找驅動這些儀器的新方法。像是美國麻省理工學院的媒體實驗室,便利用壓電效應(當特定的晶體物質受到機械性壓力時,便會放電)設計出一種節能鞋。要讓製造出的電量高到符合一般用途仍是困難重重,不過,科學家倒是很快發明了可以符合MEMS超少電力需求的發電器。這些微米(百萬分之一公尺)到毫米(千分之一公尺)尺寸的矽材料裝置,找到許多應用途徑,包括汽車氣囊系統的加速度計,以及噴墨印表機的噴頭。生物和化學能也可能為尺寸稍大一點的裝置提供動力(參見123頁〈隨手可得的能量運用〉)。

近年來,科學家已利用壓電和電磁轉換器,建造出小型的震動型發電器。微型電磁發電器以移動中的磁鐵或線圈,在電路中製造出感應交流電。即便已經可以在MEMS的尺度中製造出某些微型發電器,但技術仍繼續朝向1~75立方公分的尺度邁進,能在50~5000赫茲的震動中運作。典型的壓電震動發電器使用的是雙層鋯鈦酸鉛橫桿,它對橫桿懸空的一端施加重量,有點像是跳水選手在跳板末端平衡的姿態。當橫桿因重力而向下彎曲時,上層壓電材料便處於伸展狀態,而下層則處於壓縮狀態,如此一來,橫桿就會產生正電壓和負電壓。而當尾端的重物來回振盪,便會出現交流電壓。

這個發電器相對較大,所以重力對於振盪物體會產生重要影響。現在,我在美國喬治亞理工學院的團隊所研發的是奈米尺度的壓電發電器。相較於化學鍵結力和分子間引力,在巨觀世界扮演關鍵角色的重力,到了奈米世界則顯得無足輕重了。

重力發揮不了作用的地方

在奈米世界中,重力無法帶來實際的效用。如果想要以奈米級橫桿建造出壓電發電器,那麼,重力幾乎無法為橫桿的振盪帶來任何貢獻,所以此法是行不通的,我們需要以其他方法來製造可為自動裝置供電的奈米發電機。我們團隊已經研發了創新的奈米科技,將機械能(像是身體移動和肌肉伸展)、振動能(像是聲波和超聲波)以及液力能(像是體液和血液的流動)轉換成電能來驅動奈米裝置。

我在1990年代後期的研究集中於奈米碳管。我們發明了一些方法,能夠量測個別奈米碳管在顯微鏡下的機械性能、電性和場發射特性,但卻無法控制奈米管的電性。我立即了解到,金屬氧化物是個全新的世界,值得我們發掘。2000年,我便從奈米帶這種白色羊毛狀的金屬氧化物(像是讓鋅在900~1200℃的烘烤環境下與氬氣作用)和奈米線開始著手。…

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2008年第72期2月號】