日前，在中國科學院外籍院士、美國佐治亞理工學院教授王中林領導下，由范風茹、林龍和朱光等組成的研究小組巧妙地利用摩擦起電和靜電感應的原理，成功研制出柔性摩擦電發電機以及基于該原理的透明摩擦電發電機兼高性能壓力傳感器。相關成果近期發表在《納米能源》和《納米快報》上。

新發明大大拓寬了納米發電機的應用范圍。圖片來源：《納米能源》

能源問題是影響人類進步和可持續發展的重大問題之一，各種圍繞新能源開發、可再生能源重復利用的研究正在世界各地如火如荼地進行之中。基于納米器件的能源研究工作是在小尺度范圍內進行的，雖然無法解決人類傳統能源日益枯竭的問題，但卻也足以影響到人們的日常生活，特別是便攜式和移動式小型電子設備。

研究人員通過合理的設計器件結構，使得摩擦起電這一古老的現象展現出新的應用價值和潛力。整個摩擦電發電機則依靠摩擦電電勢的充電泵效應，將兩種鍍有金屬電極的高分子聚合物薄膜——聚酰亞胺（Kapton）膜和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜貼合在一起組成器件，在外力作用器件產生機械形變，導致兩層聚合物膜之間發生相互摩擦，從而產生電荷分離并形成電勢差。而兩個金屬極板作為發電機的電能輸出端，通過靜電感應可以在表面生成感應電荷。感應電荷在摩擦電電勢驅動下流經外電路即可形成電流。實驗結果表明，在僅僅0.13%的機械形變下，單個器件的輸出電壓達到3.3V，輸出電流0.6μA，峰值功率密度10.4MW/cm3。

據介紹，摩擦電發電機有以下幾個獨特的優勢。首先，這是一種以新穎的原理和方法為基礎的新型發電機，由于其全高聚物的結構特性，它很可能會為有機電子器件和柔性電子學的研究和應用開辟新的研究領域；其次，整個器件的制造工藝不需要昂貴的原材料和先進的制造設備，這將有利于它大規模工業生產和實際應用；最后，整個器件以柔性聚合物膜為基本結構，易加工，器件的使用壽命長，并且容易和其他加工工藝集成。摩擦電發電機展示出它良好的應用前景，可以從人類活動、輪胎轉動、海浪、機械振動等眾多不規則活動中獲得能量，可為個人電子產品、環境監控、醫學科學等提供自供電和自驅動設備，有著巨大的商用和實用潛力。

在此基礎上，研究人員又改進摩擦電發電機的結構，發展出了透明柔性摩擦電納米發電機。為了使整個裝置透密化和提高發電能量密度，研究人員采取了以下三個策略：用透明的PDMS薄膜代替原有的非透明Kapton膜；用透明的ITO電極取代原有的金電極，至此，整個器件就是一個全透明柔性裝置；在PDMS膜表面用微加工的方法制作各種規則的模型陣列，以此增強摩擦效應從而提高納米發電機的輸出效率。實驗結果表明，具有微結構陣列的發電機器件其能量輸出效率要遠遠高于原有的無結構器件，輸出電壓高達18V，峰值電流達到0.7μA，對應的峰值電流密度約為0.13μA/cm2。此外，所制備的納米發電機可以用作自驅動壓力傳感器，可以感應落下的水滴（8毫克～3.6 帕的接觸壓力）和降落的羽毛（20毫克～0.4帕的接觸壓力）的輕微踏觸。

該裝置的設計和研制成功大大拓寬了納米發電機的應用范圍，為納米發電機在光學器件、電子顯示器件、個人電子設備等領域的應用鋪平了道路。由于其簡單的制作工藝和低成本的生產過程，柔性透明納米發電機在工業生產和實際應用具有很強的優勢。同時，它具有很好的可加工性和耐用性，可以與其他工業制作過程相融合。柔性納米發電機可被應用于各種自驅動系統如觸摸屏、電子顯示器，以及其他個人電子產品。