王中林：自驅動系統中的納米發電機

王中林是佐治亞理工學院終身校董事講席教授，Hightower終身講席教授，中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家和創始所長。王中林是國際公認的納米科技領域領軍人物，他發明了壓電納米發電機,摩擦納米發電機，並首先發展了自驅動系統和藍色能源的原創大領域,爲微納電子系統的發展，物聯網，傳感網絡，人工智能和人類未來的能源開闢了新途徑。他開創了納米結構壓電電子學和壓電光電子學等領域，對納米機器人、人-電界面、納米傳感器、LED技術的發展具有里程碑意義。王中林是Google Scholar（谷歌學術）2018年公佈的全球納米技術專家學術引用與影響力排名榜之第一名。他論文的影響因子hindex 高達222。

王教授是中國科學院外籍院士，歐洲科學院院士。王教授是美國物理學會fellow，美國科學發展協會(AAAS)fellow，美國材料學會 fellow，美國顯微學會fellow，美國陶瓷學會fellow。他榮獲了2018年埃尼獎（Eni Award）；2017年潘文淵基金會傑出研究獎； 2017年全球納米能源獎；2016年北京市華僑華人“京華獎”； 2016年美國東南地區大學聯盟傑出科學家獎；2015年湯森路透引文桂冠獎；2014年材料領域世界技術獎；2014年佐治亞理工學院傑出教授終身成就獎；2014年美國物理學會詹姆斯馬克顧瓦迪新材料獎；2013年中華人民共和國國際科學技術合作獎；2012年美國陶瓷學會埃瓦德奧頓紀念獎；2011年美國材料學會獎章；美國顯微鏡學會1999年巴頓獎章。

王中林發明了納米發電機並發展出其技術路線圖。他關於自驅動納米系統的研究激發了世界學術界和工業界對於微納系統電源問題的廣泛研究，這已成爲能源研究與未來傳感器網絡研究中的特色學科。通過在新型的電子器件和光電子器件中引入壓電勢控制的電荷傳輸過程，他開創了壓電電子學和壓電光電子學學科並引領其發展，這在智能微機電系統或納機電系統、納米機器人、人與電子器件的交互界面以及傳感器等方面具有重要的應用。

自驅動系統中的

納米發電機

“ 納米發電機的發展過程是一個科學故事。”

——王中林

運行功率的量級特定操作所需的能量緊密依賴於進行這一操作的尺度範圍和具體應用。在全球範圍內，需要太瓦量級的能量。而對於驅動一個小的器件來說，儘管運行這類器件所需要的總能量不大，但是也需要微瓦量級的能量。能量對於這類系統的運行來說是必需的，甚至是無價重要的。針對不同量級的能量問題必須開發不同的技術來解決世界能源問題。

納米系統是多功能納米器件的集成系統，具有感知、控制、通信和激勵/響應等多種功能。系統的低功耗決定了可以從外界環境中收集能量來驅動這一納米系統。對於那些獨立、可持續工作、無需維護的植入式生物傳感器、遠程移動環境傳感器、納米機器人、微機電系統乃至便攜式/可穿着個人電子器件來說，通常需要微瓦量級的功耗。

基於納米技術的大量器件大概需要微瓦到毫瓦量級功率的電源才能運轉儘管所需功率小，電源都是必需的，不管成本怎樣!雖然在很多情況下電池都是一個很好的選擇，但從環境中收集能量可能可以完全替代電池或者延長電池的時間，從而使得器件可實現持續運轉瓦量級的功耗。

我們於2006年首先提出了自驅動納米技術，並且爲自驅動系統研發了納米發電機這種納米發電機利用壓電氧化鋅納米線陣列把隨機的機械能轉化爲電能。納米發電機的發電機制依賴於在外部應變下納米線上產生的壓電勢：納米線的動態應變使得外部負載電路中的電子在壓電電勢的驅動作用下發生瞬時的流動。利用納米線的優勢在於它們可以被微弱的物理運動激發，並且激發頻率可以從一赫茲到幾千赫茲，這對於收集環境中的隨機能量來說是非常理想的。通過把幾千根納米線的發電輸出集成起來，一個輕微的應變可以產生1.2V的電壓，這足以驅動一個發光二極管和一個小型液晶顯示器。

納米發電機的發明，被中國科學院和中國工程院評爲2006年度世界十大科技進展之一；2008年，基於纖維的納米發電機被英國Physics World評選爲物理領域重大進展之一；英國New Scientist期刊把納米發電機評爲在未來十到三十年以後可以和手機的發明具有同等重要性和影響的十大重要技術之一；2009年，納米壓電電子學被MITTechnology Review評選爲十大創新技術之一；2010年，納米發電機被Discovery雜誌評爲納米技術領域的20項重大發明之一；2011年，納米發電機被歐盟委員會評爲六大未來新興技術之一，將在下一個十年裏受到資助。

納米發電機的發展過程是一個科學故事,而《自驅動系統中的納米發電機》的主題是介紹納米發電機的基本原理。

首先將講述基本的材料生長;隨後描述物理機制和基本理論;然後展示獲得高輸出功率的工程方法;最後,我們將提出納米發電機和其他能量收集技術的結合;書末,我們將展示自驅動系統的原型。本書可以用來作爲本科生、研究生和一般科研人員的基礎讀本,人們可以從中學習瞭解納米發電機的理論和技術是如何系統地發展起來的。