“納米發電機之父”王中林獲愛因斯坦世界科學獎 系首位獲此殊榮的華人
2019年06月17日08:28

原標題:“納米發電機之父”王中林獲愛因斯坦世界科學獎 系首位獲此殊榮的華人

  新民晚報訊(記者 郜陽)6月14日,2019年度“阿爾伯特·愛因斯坦世界科學獎”揭曉。中國科學院外籍院士、中國科學院大學納米科學與技術學院院長、中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家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。

圖說:中國科學院外籍院士王中林 來源/愛因斯坦世界科學獎官網

  王中林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。去年,王中林獲得世界能源領域最權威、最負盛名的獎項——埃尼獎,成為獲埃尼獎的第一位華人科學家。

  無需電池的心臟起搏器

  2011年,有學生在測試一款納米發電機時觀察到了5V的電壓信號,起初大家以為這是一個誤差——數值比預想的要高出一個數量級——但王中林覺得其中或許另有玄機。仔細研究發現,原來這次測試器件使用的材料表面比較粗糙,在實驗中封裝不穩,發生了滑動,造成了摩擦起電。王中林頓時想到:為什麼不把這個效應利用起來呢?

  經過整整一年的探索,2012年初,王中林團隊終於構建了一個全新的納米器件:摩擦納米發電機。這個裝置可以把微小的機械能轉換為電能。更重要的是,摩擦發電具有極強的輸出性能,可以實現高達數千伏的電壓輸出。通過小巧的摩擦納米發電機,可以把走路、呼吸、心跳等日常中的零碎能量收集起來,轉換成電能。這一顛覆性的技術與傳統電磁感應發電機相比,無需磁鐵的累贅,輕便簡捷,輸出性能很好,為有效收集機械能提供了可能。

  兩年後,王中林與合作者設計製備了可用於生物體內能量收集的植入式摩擦納米發電機,並將其植入大鼠體內,成功收集並轉化了大鼠呼吸運動所產生的能量,再以電能的形式儲存起來,最終實現了心臟起搏器原型機的驅動。

  今年,王中林團隊研製出了真正意義上的自驅動心臟起搏器——共生型心臟起搏器(SPM)。試驗顯示,目前在每一個心臟運動週期SPM可獲得能量0.495微焦耳,高於心臟起搏器發出一次起搏電脈衝的閾值能量(通常為0.377微焦耳)。換句話說,SPM在每次心動週期所收集的能量已經超過了起搏人類心臟所需要的能量。目前,SPM已在實驗動物(豬)體內實現了“全植入”的自驅動運行,併成功開展了大動物模型心律不齊的治療。下一步,團隊的研究重點是植入式器件的小型化、長效的生物安全性等,預計有望在5至10年內開展臨床試驗。

圖說:2018年,王中林在意大利獲頒埃尼獎 來源/中國科學院大學

  世界科學獎評選委員會評價他,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,並認為這一技術“有潛力徹底改變我們生活的每一個角落”。

  顛覆性海洋能採集方式

  “藍色能源”與傳統“綠色能源”相比,擁有地理分佈上的優勢,海洋覆蓋了地球約70%的表面,全球約44%的人口都居住在距海岸線150千米的範圍內,人類向大海索取資源已成為必然趨勢。海洋波浪能具有能量密度高、分佈面廣等優點,據估計地球上海浪中蘊藏著的能量相當於90萬億千瓦時的電能。美國、日本、英國、西班牙等相繼在海上建立了波浪發電裝置,然而普遍存在發電功率小、發電不穩定、轉換效率不高等缺陷,特別是在小浪時,捕獲波浪能效率不高。同時,海洋能發電設備龐大而沉重,製造成本高昂,使海洋能成為地球上最昂貴的一種能源形式。

  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。他介紹,團隊將摩擦發電機做成了球形,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,產生發電所需的能量。“這種發電網採用聚四氟乙烯、橡膠、聚全氟乙丙烯等傳統材料,價格低廉,適用於大規模生產和商業化。它可以分佈在遠離海岸和航道的深水區,不會影響近海的人類活動。”

  在王中林看來,“藍色能源”有著巨大的優越性,有望超越“綠色能源”,成為比太陽能板和風力渦輪機更便宜、更可靠、更穩定、不依賴於天氣與晝夜變化的可持續能源這一備受矚目的海洋藍色能源技術,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。”

  此外,評選委員會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”。

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  愛因斯坦世界科學獎以偉大的科學家阿爾伯特.愛因斯坦的名字命名,象徵著國際科學界的崇高榮譽。該獎項從1984年開始每年頒發1次,每次獲獎人數僅為1人,之前已有35名科學家獲得此獎項,其中包括4位諾貝爾獎得主。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。

  據瞭解,頒獎典禮將於今年10月2日至4日在日本舉行。

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