十幾天前，臺(tái)灣省內(nèi)鬧的沸沸揚(yáng)揚(yáng)的“大停電事件”，讓“經(jīng)濟(jì)部長(zhǎng)”李世光先生丟掉了烏紗帽，連臺(tái)灣地區(qū)領(lǐng)導(dǎo)人蔡英文女士也不得不向公眾道歉。甚至有臺(tái)灣媒體哀嘆，“搞定臺(tái)灣不需要導(dǎo)彈，一個(gè)電力工程師就夠了”、“是時(shí)候用愛發(fā)電了”（“用愛發(fā)電”的梗，請(qǐng)自行上網(wǎng)搜索）。不談事件的政治和社會(huì)影響，僅事件本身就足以凸顯現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電力的依賴。
除了火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電、太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等常見的發(fā)電方式，科學(xué)家們還發(fā)展了更多獲取電能的方法。比如，你可能聽說利用海水和淡水之間滲透壓差來發(fā)電（Nature, 2016, 536, 197-200，點(diǎn)擊閱讀相關(guān)），你也可能聽說過中國科學(xué)家利用水蒸發(fā)來發(fā)電（Nat. Nanotech., 2017, 12, 317-321，點(diǎn)擊閱讀相關(guān)），你還可能聽說過佐治亞理工學(xué)院王中林院士團(tuán)隊(duì)于2006年發(fā)明的第一個(gè)納米發(fā)電機(jī)——壓電納米發(fā)電機(jī)（Science,2006, 312, 242-246），以及隨后在2012年發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)（Nano Energy, 2012, 1, 328-334）和熱電納米發(fā)電機(jī)（Nano Lett., 2012, 12, 2833-2838）。這些工作為電子設(shè)備，特別是可穿戴設(shè)備、傳感器、植入型醫(yī)療設(shè)備以及微納米器件的供能指出了新的發(fā)展方向。
近日，韓國漢陽大學(xué)Seon Jeong Kim教授和德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校Ray H. Baughman教授等人合作在Science 雜志上發(fā)表文章，發(fā)明出一種“Twistron”發(fā)電機(jī)，通過碳納米管紡線，在不需要外部偏置電壓的情況下，就可以將拉伸或扭轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換變成電能。
“Twistron”發(fā)電機(jī)制備過程示意圖。圖片來源：Science
“Twistron”發(fā)電機(jī)本質(zhì)上是一種無需外加電壓的電容器，它由很多根碳納米管紡成，單根碳納米管是直徑為人頭發(fā)絲萬分之一的中空?qǐng)A柱體，紗線電極的總直徑在50~70 μm之間。為了提高紗線的彈性，研究者不斷提高紗線的捻度，從而使得紗線呈類似彈簧的螺旋結(jié)構(gòu)。
紡線方法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電化學(xué)測(cè)試示意圖。圖片來源：Science
“Twistron”想要發(fā)電，還須涂上或浸泡在電解質(zhì)中。這些電解質(zhì)中的離子會(huì)自動(dòng)插入到紗線中，當(dāng)紗線被拉伸或扭轉(zhuǎn)時(shí)，紗線上的電荷彼此靠近，電壓增高，從而產(chǎn)生電能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)紗線拉伸30%時(shí)，開路電壓增加140 mV；當(dāng)紗線拉伸50%、拉伸頻率12 Hz時(shí)，輸出的峰值功率可以達(dá)到179 W/kg。
拉伸強(qiáng)度和頻率對(duì)“Twistron”電流、電壓及峰值功率的影響。圖片來源：Science
文章另一亮點(diǎn)是使用壓電化學(xué)譜法（piezoelectrochemical spectroscopy，PECS）測(cè)量紡線電極的零電荷電勢(shì)（potential of zero charge，PZC）。由于電極和周圍電解質(zhì)之間存在化學(xué)勢(shì)差，而零電荷電勢(shì)（PZC）可以表征“Twistron”電極的電荷平衡狀態(tài)，用來研究其電荷狀態(tài)隨形變的變化規(guī)律。
壓電化學(xué)譜法測(cè)試“Twistron”電極的電性能。圖片來源：Science
研究者設(shè)想“Twistron”可以在海浪運(yùn)動(dòng)中將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，隨后他們進(jìn)行了簡(jiǎn)單的嘗試，將電極系在氣球下端，浸入到海底。每當(dāng)海浪到來時(shí)，氣球就會(huì)上升，拉伸紗線。研究過程中，海波的頻率范圍為0.9~1.2 Hz，開路電壓可以達(dá)到46 mV，平均輸出功率1.66 W/kg。
海水中發(fā)電的“Twistron”。圖片來源：Science
研究者還發(fā)現(xiàn)，紗線的電阻影響了“Twistron”發(fā)電機(jī)的性能。為了解決問題，他們?cè)诩喚€中加入了一根23 μm粗的鉑絲降低電阻，這樣紗線拉伸50%、拉伸頻率12 Hz的峰值功率就由 179 W/kg上升至250 W/kg。
在實(shí)驗(yàn)室里，研究者還測(cè)試了一根重量小于蒼蠅的Twistron紗線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每次被拉伸后，紗線產(chǎn)生的電能可以點(diǎn)亮一個(gè)小型LED。他們將“Twistron”縫在紡織品中，用作自供電呼吸傳感器，無需額外提供電源。在人體正常呼吸時(shí)，隨著胸腔的起伏，紗線被拉伸并產(chǎn)生電信號(hào)。
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