利用纳米发电机利用能量

科学家们一直在寻找生产和收集能量的新方法。这只会随着对能源需求的增加而增加，这将随着全球当前人口和技术的增长而发生。虽然大多数科学家都关心大量能量的产生和提高现有设备的效率，以便从自然界中收集更多的能量，但纳米技术界正在越来越多地创造收集少量能量的纳米级设备。许多人可能会问这种小型能量收集设备有什么意义，但它们具有在小型和远程设备中执行自供电操作的巨大潜力，例如用于健康监测、环境监测、无线传输、传感器、

什么是纳米发电机以及它们如何发电？

简短的回答是，它们是通过纳米发电机内部的物理变化将机械能或热能转化为电能的设备。纳米发电机主要分为三种类型：

压电式

摩擦电

热释电

内部结构和能量收集机制因纳米发电机而异。因此，要了解它们的工作原理，我们需要逐一查看。

压电纳米发电机

压电纳米发电机使用可以表现出压电效应的材料将动能转化为电能，即在机械应力和/或变形下产生电荷。这些设备的结构配置可以非常多样化，具体取决于所使用的材料。从采用纤锌矿或闪锌矿晶格确认的固态材料到钙钛矿材料和某些聚合物，可以使用许多不同类型的材料。这些材料以纳米线形式制造，然后在金属层顶部垂直或横向实施以创建肖特基接触。一些纳米线也可以嵌入聚合物基质中。无论结构构造如何，纳米发电机内的所有纳米线都连接到两端的电极。

由于有源压电元件的排列方式有很多种，工作机理也不止一种。然而，压电纳米发电机通常依赖于两种常见机制之一：

第一个是通过施加垂直于每根纳米线的力产生的。在这种涉及垂直施力的方法中，压电材料会受到来自移动尖端的作用力。该尖端导致产生电场的压电纳米材料变形。由于离子在纳米线内的位移，材料的拉伸和压缩部分随后分别呈现正电势和负电势。由于阳离子和阴离子都被置换，纳米线内会发生电荷分离，从而在尖端附近的表面产生电势，而相反的表面则充当地线。因为在纳米线旁边使用金属层作为肖特基接触，

第二种机制是单轴压缩。单轴压缩用于纳米线一端连接到肖特基接触而另一端连接到欧姆接触的设备。当对纳米线的一端施加压缩力时，它会在纳米线的肖特基端产生负压电势。这也导致纳米线的费米能级增加，电子通过外部电路从纳米线的顶部流到底部，从而产生电流。

摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机是通过两个主要原理将外部机械能转化为电能的装置：

第一个原理是摩擦电效应。摩擦电效应是接触带电的一种形式，材料在摩擦力作用下带电。  

第二个原理是静电感应。静电感应是由于周围的其他带电物质而导致的材料中的电荷分布。

这些纳米发电机有多种工作机制。这些包括：

涉及机械应力使纳米材料变形并随后释放的机制，因此电荷将在两种不同的材料中分离并产生导致电子流动的电场。

两种纳米材料相互滑动以引起摩擦和类似电荷迁移以分离纳米材料的机制——再次引起电场和电子迁移以形成电流。

使用电极在一种纳米材料中感应一定电荷的机制。这会在第二种纳米材料上产生相反的电荷，导致电子从一种材料迁移到另一种材料，从而感应出电流。

总的来说，无论具体机制如何，两种具有相反摩擦极性的纳米薄膜（本质上可以是有机的或无机的）会引发电荷转移机制，最终导致电场的产生，即电子在纳米材料之间的迁移, 和电流。

热释电纳米发电机

热释电发电机使用热释电材料（即在温度变化时产生电流的材料）将外部热能（例如热量）转换为电流。可用于这些纳米发电机的材料类型比其他纳米发电机要窄，它们通常使用铁电材料或具有纤锌矿晶体结构的固态材料。这些材料的两端再次通过电极连接。

热释电纳米发电机有两种不同的自发电机制： 

第一种机制不涉及纳米发电机内部纳米材料的物理变化；相反，它涉及它们的电偶极子的运动。这些偶极子的方向在室温下自然波动，但当纳米发电机周围存在较高的外部温度（高于室温）时，这些偶极子以更大的速率移动和振荡。这反过来又导致电极中感应电荷的数量下降——即由纳米材料中的偶极子感应的电荷——电荷的减少导致电子流动并产生电流。

第二种机制涉及由于温度变化引起的物理变化。在这种机制中，当局部温度升高时，会导致纳米材料热膨胀和变形。这种变形会在材料中产生压电势差，从而导致电子迁移到外部电路并使电流流动。

结论

总的来说，有许多不同类型的纳米发电机依靠不同的材料和不同的运行机制从物理运动或热能中发电。虽然这些设备中的许多设备产生的电力很小，但足以为可以自给自足的小型远程设备供电。这对于将用于远程监控应用程序的未来设备和那些属于物联网网络的设备具有巨大的潜力。

审核编辑：汤梓红