王中林獲愛因斯坦世界科學獎,被譽為納米發電機之父
2019年06月16日10:15

  來源:未來論壇

  他是國際公認的納米科學與技術領域的領軍型科學家。2006年,王中林成功地研製出世界上最小的發電機——納米發電機,被譽為是“納米發電機之父”。他同時也是壓電電子學和壓電光電子學兩大學科的奠基人。

王中林教授
王中林教授

  6月14日,2019年度“阿爾伯特。愛因斯坦世界科學獎”(Albert Einstein World Award of Science)揭曉,西電校友、西安電子科技大學先進材料與納米科技學院名譽院長、中國科學院外籍院士、歐洲科學院院士王中林斬獲這一世界性的大獎,成為首位獲此殊榮的華人科學家。該獎項評選委員會評價王中林教授在納米發電機和自供能系統領域做出了開創性的重大貢獻,認為這一領域“將對人類和我們社會的可持續發展產生巨大的利益”,“有望在不久的將來改變世界”。

  世界科學獎評選委員會對王中林的科學成就給予高度評價,認為他在納米發電機和自供能系統研究方面做出了影響深遠的開創性貢獻,使人類從環境和生物系統中獲取能量這一全新的技術成為現實,並認為這一領域“有潛力徹底改變我們生活的每一個角落”,“有望在不久的將來改變世界”。

  委員會還認為,這些發現和突破已經引發世界範圍內學術界和工業界對納米能源與自驅動系統技術的興趣與努力,並認為他發明的海洋藍色能源技術,有可能從海浪中獲取大量能源以解決世界未來的能源需求,將對人類和社會可持續發展產生巨大影響。

  委員會在認可王中林在科技領域貢獻的同時,也對他在物理學領域取得的成果予以充分肯定,認為他首先證明了納米發電機起源於麥克斯韋的位移電流,建立了利用機械能為移動傳感器供電的原理和技術路線圖;給出了2600年以來首個對摩擦帶電物理學的科學闡釋,為摩擦電納發電機奠定了理論基礎。

  此外,委員會還對王中林的個人品質和學術水平作出了高度評價,認為他是一位“天生的領導者,總是非常善良,鼓舞人心,充滿活力,對與他合作的每個人都有積極的影響”。

  數據統計顯示,王中林已經發表論文1500餘篇,包括55篇在NATURE、SCIENCE及其子刊上發表的文章;根據Google Scholar的統計,王中林教授的論文被引用次數超過20.6萬次,標誌學術影響力的H指數為226。

阿爾伯特。愛因斯坦世界科學獎獎章
阿爾伯特。愛因斯坦世界科學獎獎章

  愛因斯坦世界科學獎是一項著名的世界性科學大獎,由世界文化理事會(World Cultural Council)設立,每年頒發一次,目的是表彰和鼓勵世界科學技術領域的重大研究進展,授予為人類帶來福祉的傑出科學家。該獎獲獎人由來自50個國家和地區的124位世界著名科學家組成的跨學科委員會選出,委員會成員包括25名諾貝爾獎得主。

2018年,王中林在意大利獲頒埃尼獎
2018年,王中林在意大利獲頒埃尼獎

  最年輕中國科學院外籍院士

  1961年,王中林生於陝西省蒲城縣。在他出生兩年前的1959年,物理學家理查德·費曼(Richard P。 Feynman)發表《底部還有很大空間》(There‘s Plenty of Room at the Bottom)演講,“納米”一詞被世界廣泛關注。1978年,王中林考取了西北電訊工程學院(西安電子科技大學的前身),學習物理,同時也開啟了他的勵誌“開掛”人生。

青年王中林
青年王中林

  在“惡補”英語一年後,他於1982年通過中美聯合培養物理類研究生計劃,赴美國亞利桑那州立大學就讀,1987年7月獲得物理學博士學位。1995年,王中林應聘到佐治亞理工學院當副教授,由於沒有專用實驗室,他只能白天看文獻,晚上蹭別人的實驗室進行研究。“不能因為條件艱苦而停止研究”,在這樣的環境下,王中林用3年時間發表了80多篇論文,並一舉獲得終身教授的席位。

這本名為《電子成像和衍射中的彈性和非彈性散射》的書是他的第一本著作,一經出版就廣受好評,被媒體稱為 “具有卓越成就的經典之作”。
這本名為《電子成像和衍射中的彈性和非彈性散射》的書是他的第一本著作,一經出版就廣受好評,被媒體稱為 “具有卓越成就的經典之作”。

  自1992年以來,王中林長期推進中美科技、教育的交流和發展,頻繁往返中美兩國,培養了多位分佈在中國和美國的華人學生、學者。

  2009年,王中林當選最年輕的中國科學院外籍院士。2010年起,他參與組建中國科學院北京納米能源與系統研究所。在他的帶領下,納米能源所碩果頻出,在領域內處於國際研究領頭羊地位。

  “絆倒你的可能是塊金子”

  2005年的一天,王中林與一位博士生用當時最高級的手段測試納米材料的壓電係數。學生做了一個夏天,得到的結果卻和王中林期待的不太一樣。是方法錯了,假設錯了,還是計算錯了?他和學生一起反複研究,重新計算,最終發現了一個全新的方向:利用納米材料發電。一年後,王中林發明了納米發電機。

  納米發電機是基於規則的氧化鋅納米線的納米發電機,是在納米範圍內將機械能轉化成電能,是世界上最小的發電機。圖/中國科學院北京納米能源與系統研究所網站

  它的問世完全打破了人們對“發電機”尺寸的認識極限。納米發電機能實現對環境中特別微小機械能的進行收集和利用。例如,空氣或水的流動、引擎的轉動、機器的運轉等引起的各種頻率的噪音、人行走時肌肉伸縮或腳對地的踩踏、甚至在人體內由於呼吸、心跳或血液流動帶來的體內某處壓力的細微變化,都可以帶動納米發電機產生電能。因此,納米發電機理論為目前實現物聯網和傳感網絡以及大數據提供了理想的電源解決方案。

王中林和他納米器件
王中林和他納米器件

  “有時候你摔了一跤,但絆倒你的很可能不是磚頭,而是一塊金子。”後來回憶起這段波折的經曆,王中林如此形容。

在2008年這期《科學美國人》上,王中林首次提出“self-power”這一概念。
在2008年這期《科學美國人》上,王中林首次提出“self-power”這一概念。

  研發無需電池的自驅動心臟起搏器

  2012年,王中林帶領團隊構建了全新的納米器件“摩擦納米發電機”。小巧的“摩擦納米發電機”可以把人走路、說話、心跳,肌肉收縮等運動中由摩擦產生的能量收集起來,轉換成電能,為一些設備供電。未來很多裝置在身體中的醫療器械就不再需要電池了,因為自驅動本身就是一種可以實現自己發電的技術。這一技術還可以推廣使用在安防和老年人監護等方面。

  利用納米技術可以把環境中無時不有處處有的能量轉換為電能來帶動一些小型的電子器件,就可以製造出自驅動的微納系統。圖/中國科學院北京納米能源與系統研究所網站

  今年年初,國際頂級學術期刊《自然—通訊》(Nature Communications)發表了一篇論文,介紹了王中林及其同事聯合研發的一款可植入式自驅動心臟起搏器:無需電池供能,僅從心臟搏動中就能收集足夠的能量,確保心臟起搏器工作。這意味著,患者不必再為更換電池失效的起搏器遭受多次手術之苦了。中美科學家團隊在豬體內證實,他們的可植入系統不僅可以進行心臟起搏,還能糾正竇性心律不齊。

  愛因斯坦世界科學獎評選委員會稱,王中林在納米發電機和自供能系統研究方面做出了影響深遠的開創性貢獻,使人類從環境和生物系統中獲取能量這一全新的技術成為現實。

  提出顛覆性海洋能採集方式

  王中林另一項備受矚目的研究是海洋藍色能源技術,被評選委員會稱為“有可能從海浪中獲取大量能源以解決世界未來的能源需求。”

  藍色能源與傳統綠色能源相比,擁有地理分佈上的優勢,海洋覆蓋了地球70%的表面。但利用海洋能發電研究領域一直進展緩慢,海洋波力發電開發困難重重。

  海洋能的採集主要基於電磁感應的原理,利用海洋水流衝擊形成線圈對磁感線的切割來產生電能。然而,構成傳統電磁感應機的是重的磁鐵和線圈,放到水中後會往下沉,不能自然地浮在水體表面,除非從海底建立支撐塔架,但這樣會加大工程的難度和代價。由於海浪上下翻騰的不規則運動,使得傳統的電磁發電機難以收集波浪能。

  藍色能源夢想是網狀聯結數以百萬計的可捕獲低頻海波能量的摩擦納米發電機。本圖是網絡狀虛擬結構圖,右上角是設計的球形納米發電機。圖/中國科學院北京納米能源與系統研究所網站

  王中林利用摩擦納米發電機的原理,為收集利用海洋能源提供了新的解決方案。摩擦納米發電機的輸出效率遠高於電磁發電機,非常適用於收集藍色能源,在緩慢流動和隨機方向的波流條件下能夠穩定輸出功率。

  “我們將摩擦發電機做成了球形,像網球一般大小。通過球中套球,外層的球在水中隨波浪晃來晃去,裡邊的球也隨波動晃來晃去,就會產生發電所需的能量。並且因為它是球體,所以是無規則的,哪個方向都可以。通過發電球積少成多的規模效應,收集波動能量併發電的可能性大大提高了。”

藍色能源器件的結構及性能演化
藍色能源器件的結構及性能演化

  對每一位合作者都有積極影響

  除了開創性的科研成果,王中林的個人品質也贏得了評選委員會的高度評價——“他是一位天生的領導者,總是非常善良,鼓舞人心,充滿活力,對與他合作的每個人都有積極的影響”。

  評選委員會對他在學術上取得成績表示欽佩。目前,王中林已經發表論文1500餘篇,包括55篇在《自然》(Nature)、《科學》(Science)及其子刊上發表的文章;根據Google學術(Google Scholar)的統計,他的論文被引用次數超過20.6萬次,標誌學術影響力的H指數為226。

  2018年7月23日,王中林因其在納米發電機理論和技術方面的重大原創性貢獻獲得了世界能源領域的權威獎項“埃尼獎”,該獎一向被譽為是世界能源領域的“諾貝爾獎”。

  “我在納米領域已經研究了30年,未來的20年,我還會堅持現在的研究內容。”王中林在今年年初接受採訪時表示,“科研就是我的生活,是我快樂的源泉”。

  推動北京納米能源所成為世界一流科研機構

  這些年,在王中林的協調下,北京納米能源所和美國佐治亞理工學院在納米研究領域進行了深入和廣泛的合作。與此同時,王中林也在積極推動他在美國的學生回國發展,僅僅從王中林美國實驗室回國的博士、博士後和訪問學者等就達到百位左右。

  這些研究人員回到國內以後,又迅速帶上新的研究隊伍前進。他們每個人都帶著 5~10 人左右的研究團隊,從而讓北京納米能源所的研究能力迅速上升。

  事實上也是如此,在王中林所研究的領域,國內的研究水平也迅速走向了國際前沿的位置。王中林表示,在這些年的發展中,北京納米能源所創立了壓電電子學和壓電光電子學兩大學科,發明了納米發電機和自驅動系統的原創技術,首次提出了“新時代”能源的概念,在本領域已經處於國際引領的地位。

  2018年5月17日,“中國科學院與北京市人民政府共建中國科學院北京納米能源與系統研究所/北京納米能源與系統研究所推進會”在北京召開。院市雙方簽定了《共建納米能源所協議書》。

  根據計劃,2018年底,北京納米能源所整體搬遷到懷柔科學城,成為中科院與北京市在懷柔科學城共建的第一個整建製入駐的科研機構。

  現在,建設成為世界一流的以微納能源和系統為主的科研機構,成了北京納米能源所的新目標,這也是王中林的夢想。

  女兒王琦給王中林做了一個大拚圖,每一個色塊都是一篇高引論文。圖片來源: ACS.org

  王中林的故事,滿足了世人對卓越科學家的所有幻想:天才,勤奮,反抗權威再成為權威。從關中小鎮到名牌學府,從科學理論到產業應用,從個人奮鬥到開宗立派,他每時每刻都在展現著巨大的才華和與之相配的野心。

  在王中林看來,

  科學家的人生分為三個階段,

  第一階段是向世界證明自己的才華;

  第二階段是盡力幫助朋友和周圍的人;

  第三個階段

  要用自己的知識來為國家和社會作貢獻。

  他覺得自己已經進入了第三個階段。

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