近日，由中國科學(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)院共同參與的科研團(tuán)隊(duì)在王中林教授的帶領(lǐng)下，定義了摩擦納米發(fā)電機(jī)的品質(zhì)因數(shù)作為其標(biāo)準(zhǔn)，并對發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)和材料品質(zhì)因數(shù)分別進(jìn)行了模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量。該研究為摩擦納米發(fā)電機(jī)的進(jìn)一步應(yīng)用和工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

摩擦起電效應(yīng)，是兩種不同材料經(jīng)過相互摩擦而使其接觸表面帶電的現(xiàn)象，是自然界中最常見的現(xiàn)象之一。王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)于2012年首次成功地研發(fā)出用有機(jī)材料制作的摩擦納米發(fā)電機(jī)，原創(chuàng)性地利用摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，并在近年來陸續(xù)展示了該類器件的各種基本工作模式和其適用于各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能力。然而，基于多種模式多種結(jié)構(gòu)的該類發(fā)電機(jī)還沒有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來評價(jià)發(fā)電機(jī)的輸出能力，各種發(fā)電機(jī)之間也無法進(jìn)行比較。相比之下，其它的能量轉(zhuǎn)換器件都有自己標(biāo)準(zhǔn)，例如熱機(jī)的卡諾效率、太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率、熱電材料的ZT因子等等。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的缺乏會(huì)極大地制約該發(fā)電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用。

摩擦納米發(fā)電機(jī)自發(fā)明以來，其輸出性能已經(jīng)為實(shí)驗(yàn)和理論所證明。然而，由于此發(fā)電機(jī)的輸出與外界機(jī)械能輸入以及外接負(fù)載都有很大關(guān)系，如何評價(jià)發(fā)電機(jī)的品質(zhì)一直是一個(gè)難題。而目前對于發(fā)電人們主要關(guān)注其平均輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率。由訾云龍博士、博士生牛思淼等組成的團(tuán)隊(duì)，在王中林教授的指導(dǎo)下，從摩擦納米發(fā)電機(jī)的電壓V-電極間轉(zhuǎn)移電荷量Q曲線出發(fā)，對于發(fā)電機(jī)每周期輸出能量進(jìn)行了研究，并且首次提出了摩擦納米發(fā)電機(jī)的最大能量輸出循環(huán)?；诖搜h(huán)，參考了發(fā)電機(jī)平均輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率的定義，研究人員提出了發(fā)電機(jī)的性能品質(zhì)因數(shù)作為評價(jià)發(fā)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，其中包括一個(gè)與發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)的結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)和一個(gè)等于表面電荷密度平方的材料品質(zhì)因數(shù)。為了表征和比較不同結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)，研究人員通過解析式計(jì)算和有限元模擬得出了摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)，并對不同模式和結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行了比較。該團(tuán)隊(duì)還提供一種標(biāo)準(zhǔn)方法來表征材料品質(zhì)因數(shù)，采用液態(tài)金屬較為準(zhǔn)確測量了摩擦層材料的表面電荷密度并計(jì)算了相關(guān)的材料品質(zhì)因數(shù)。

對于該研究，同行業(yè)的專家給出了很高的評價(jià)。文章中所提出的一系列標(biāo)準(zhǔn)、模擬與實(shí)驗(yàn)的手段、理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對于摩擦納米發(fā)電機(jī)來說都屬于革命性的突破。首先，研究者所定義的品質(zhì)因數(shù)作為摩擦納米發(fā)電機(jī)的可信的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了定量評價(jià)該發(fā)電機(jī)和比較不同發(fā)電機(jī)性能的方法。其次，文章中對結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)的模擬成為了摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化的依據(jù)。最后，文章中所提出來的通過液態(tài)金屬（液態(tài)鎵及其合金等）對摩擦表面電荷密度的測量為材料摩擦性能的量化提供了依據(jù)。此外，該研究中還體現(xiàn)了許多科學(xué)上和技術(shù)上的創(chuàng)新點(diǎn)。首先，文章中所使用的通過發(fā)電機(jī)的V-Q曲線來研究摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能的研究手段將成為研究該發(fā)電機(jī)的有效工具。其次，通過該V-Q曲線，研究人員所提出的具有最大可能輸出的循環(huán)為將來設(shè)計(jì)和優(yōu)化該發(fā)電機(jī)的輸出循環(huán)提供了標(biāo)桿；和其它能量轉(zhuǎn)換器件（如熱機(jī)）不同的是，這個(gè)具有最大輸出的循環(huán)是可以通過實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)的。最后，該研究還為從結(jié)構(gòu)上和材料上評價(jià)摩擦納米發(fā)電機(jī)提供了標(biāo)準(zhǔn)方法。因此，該研究對于摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用具有重大意義，并將為推動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。（來源：中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所）

    熱力學(xué)定律的發(fā)現(xiàn)與提高熱機(jī)效率的研究有密切關(guān)系。蒸汽機(jī)雖然在18世紀(jì)就已發(fā)明，但它從初創(chuàng)到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了漫長的年月，1765年和1782年，瓦特兩次改進(jìn)蒸汽機(jī)的設(shè)計(jì)，使蒸汽機(jī)的應(yīng)用得到了很大發(fā)展，但是效率仍不高。如何進(jìn)一步提高機(jī)器的效率就成了當(dāng)時(shí)工程師和科學(xué)家共同關(guān)心的問題。

    法國數(shù)學(xué)家和工程學(xué)家薩迪·卡諾的父親拉札爾·卡諾（Lazre Nico－las Carnot，1753—1823）率先研究了這類問題，在他的著作中討論了各種機(jī)械的效率，隱諱地提出這樣一個(gè)觀念：設(shè)計(jì)低劣的機(jī)器往往有“丟失”或“浪費(fèi)”。當(dāng)時(shí)，在水力學(xué)中有一條卡諾原理，就是拉札爾·卡諾提出的，說的是效率最大的條件是傳送動(dòng)力時(shí)不出現(xiàn)振動(dòng)和湍流，這實(shí)際上反映了能量守恒的普遍規(guī)律。他的研究對他的兒子有深刻影響。

    1824年薩迪·卡諾發(fā)表了著名論文《關(guān)于火的動(dòng)力及適于發(fā)展這一動(dòng)力的機(jī)器的思考》，提出了在熱機(jī)理論中有重要地位的卡諾定理，這個(gè)定理后來成了熱力學(xué)第二定律的先導(dǎo)。

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