中科院納米能源所首次利用摩擦效應(yīng)高效能聲音發(fā)電    聲波無處不在，如人們所在的各種社交活動場所、機場、建筑工地和交通中都充斥著各種聲音。通常情況下，這些聲音被認(rèn)為是污染我們生活環(huán)境的噪聲，雖然其提供的能量充滿我們整個環(huán)境，但往往被忽視和浪費掉。若能將這些能量收集并利用，將獲得一種嶄新的、可持續(xù)的能量源。目前，聲能采集還不普遍，與其他類型的能量相比（如太陽能和熱電能量），聲能的功率密度較低，很難被收集和利用。目前采用壓電和靜電效應(yīng)實現(xiàn)聲能收集的技術(shù)，存在能量轉(zhuǎn)換效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和對材料品質(zhì)要求高等缺點，并且大多數(shù)器件的工作頻率較高（從幾kHz到MHz），而日常生活中使用的聲源則主要是低頻成分，使得現(xiàn)有技術(shù)和器件未被真正應(yīng)用。因此，采集聲波能量仍然是一個挑戰(zhàn)。
    2012年，王中林院士領(lǐng)導(dǎo)的中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所和美國佐治亞理工學(xué)院研究組首次提出了摩擦電納米發(fā)電機理念，開辟了能源轉(zhuǎn)化和應(yīng)用的一個新的范疇。摩擦電是一種非常普遍的現(xiàn)象，存在于我們?nèi)粘Ｉ�活的各個層面，從一次觸摸、到走路、開車等很多活動都會產(chǎn)生摩擦電。王中林領(lǐng)導(dǎo)的研究組通過合理的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得摩擦起電這一古老的現(xiàn)象展現(xiàn)出原創(chuàng)的和前所未有的應(yīng)用價值和潛力。兩年左右時間，在王中林領(lǐng)導(dǎo)下，各種類型的摩擦電納米發(fā)電機不斷被研制出來，為人們呈現(xiàn)出一個異彩紛呈的新天地，引起了國內(nèi)外各界的廣泛重視，相關(guān)成果發(fā)表在Nano Energy、Nano Letter、Advanced Materials、ASC Nano、Energy & Environmental Science等著名期刊上。
    最近，在王中林的領(lǐng)導(dǎo)下，由楊進博士和陳俊博士等組成的研究小組首次實現(xiàn)了利用摩擦效應(yīng)的高效能聲音發(fā)電。他們將鍍有金屬電極的聚四氟乙烯膜（Teflon）和具有孔洞結(jié)構(gòu)的金屬電極膜貼合在一起，構(gòu)成摩擦電納米發(fā)電機并用于聲轉(zhuǎn)換敏感單元。制作的聚四氟乙烯膜輕薄并且具有彈性，在實現(xiàn)對環(huán)境聲壓變化敏感響應(yīng)的同時，能夠與金屬電極膜產(chǎn)生不同程度的分離與接觸摩擦，造成表面摩擦電荷與感應(yīng)電荷之間的平衡關(guān)系發(fā)生變化，從而驅(qū)動電子通過外電路發(fā)生轉(zhuǎn)移，即形成電流，實現(xiàn)聲能到電能的轉(zhuǎn)化。為了提高聲能轉(zhuǎn)換效率，研究組從1）聚四氟乙烯膜初始應(yīng)力及金屬電極孔洞面積比，2）聲諧振腔結(jié)構(gòu)，3）聚四氟乙烯膜表面納米線和金屬電極膜表面納米孔修飾等3個方向?qū)ζ骷�進行了優(yōu)化設(shè)計。實驗結(jié)果表明，當(dāng)聲壓在70 dB to 110 dB范圍時，器件聲響應(yīng)靈敏度達9.54 V Pa-1， 峰值功率密度為60.2 mW m-2，聲電轉(zhuǎn)換效率大于50%。聲音驅(qū)動的摩擦電納米發(fā)電機可以同時點亮20個LED燈。研究組還通過多個不同響應(yīng)頻帶的器件陣列制成自供電麥克風(fēng)，實現(xiàn)了無源、寬頻帶聲音錄制；采用多聲傳感器構(gòu)建了無源、主動式聲源定位系統(tǒng)，可以實時定位聲源位置。
    該工作發(fā)表于最新一期的《ACS納米》（ASC Nano） (DOI: 10.1021/nn4063616，Publication Date (Web): February 13, 2014)，研究結(jié)果在環(huán)境聲能量高效采集、噪聲抑制，以及聲傳感探測（如航空動力聲傳感、軍事偵查以及個人電子設(shè)備）等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。整個器件的制造工藝無需昂貴原材料和先進制造設(shè)備，有利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和實際應(yīng)用，且整個器件以柔性聚合物膜為基本結(jié)構(gòu)，易加工；器件的使用壽命長，易與其它加工工藝相融合。