摩擦摩擦，這位外籍院士告訴你納米發電機如何讓“海洋發電”

　　中國科學院外籍院士、中國科學院北京納米能源與系統研究所所長王中林

　　 納米能源與微納系統研究的國際領跑者

　　 中國科技界非常重視納米科技的創新與發展，納米領域涌現了很多高質量的原創性成果，整體研究水平已經走在了世界的前列。比如納米發電機和壓電電子學兩個領域，中國在國際上是領跑者

　　 山東省大小的海面積産生的電能便可滿足目前全中國的總能耗，而千分之四(0.4%)的海平面面積發的電就能滿足全世界用。藍色能源的潛力不言而喻

　　 我們做科研，要麼能上“書架子”，在基礎科學上要有成果並成為經典科學，自己的發明可以寫進教科書。要麼能上“貨架子”，真正把成果應用到祖國的大地上去，造福人民。兩個架子都上，那是最好

　　文 |《瞭望》新聞週刊記者 黃明 劉濟美

　　能源是人類文明進步的根本動力，也是全球技術變革的決定性因素。進入大數據、人工智慧和物聯網時代，在傳統的化石能源與可再生能源等“大能源”之外，人類開始探索微納能源等“小能源”，以解決物聯網時代小型器件的自供能問題。

　　在這個領域，中科院外籍院士、中科院北京納米能源與系統研究所創始所長和首席科學家王中林，當屬“執牛耳者”。作為國際納米能源和納米自驅動系統的主要開創者和奠基人，王中林堪稱納米科技領域最具學術影響力的科學家。

　　近年來，王中林先後斬獲10余項國際性獎項。其中，他2018年7月所獲的世界能源和環境領域最高獎埃尼獎和2019年6月所獲的愛因斯坦世界科學獎，均為華人科學家首次獲得。近日，王中林接受《瞭望》新聞週刊專訪表示，以摩擦納米發電機為核心的海洋藍色能源技術，可以高效地收集海洋波浪能並轉化為電能，為人類大規模利用海洋能源提供了可能，為全世界實現“碳達峰、碳中和”的偉大目標提供了令人振奮的能源技術路徑。

　　未來能源什麼樣

　　《瞭望》：未來能源革命的趨勢是什麼？

　　王中林：能源是我們賴以生存的命脈。能源的利用使我們的生活日新月異，但同時也對我們提出了新的挑戰和更高要求。長期以來，人類賴以生存的化石能源導致了氣候和環境變化。油、煤燃燒過程的不可逆性，也使人類面臨能源耗竭的困境。

　　我國的能源特徵是“多煤、少油、缺氣”，目前的電力57.7%來自於煤炭火力發電，11%來自於可再生能源，即風能、光伏能、生物質能等。尋找“後化石能源”時代的新能源、新的增長點，以保障未來可持續發展成為當務之急。

　　為實現“雙碳”目標，降低煤炭發電所造成的二氧化碳釋放是關鍵。到2060年，我國煤炭發電的佔比要降低到7%，可再生能源與分佈式能源佔比就要達到63%。為了實現這一目標，發展結合大電網、大能源與微區網、分佈式能源等顛覆性技術勢在必行。從熱力學角度講，能源分佈將從聚集型變為發散型，從有序變為無序，遵循熵增加的原理，即高熵能源。未來，如何解決和利用數以億計的移動性、變化性、不定性的“小能源”，這是我們一直的研究方向。

　　《瞭望》：什麼是納米能源？微納系統研究的意義和價值在哪？

　　王中林：納米能源，作為一個全新的研究領域，是指利用納米材料和納米器件來實現高熵能源的高效轉換、儲存與利用，從而實現為微納系統提供持久的、不需維護的能源。其應用範圍，包括不限于穿戴式電子設備、健康醫療、環境監測與保護、安全與安防、機器人和人機界面等。

　　如今，人類社會已邁入大數據、人工智慧和物聯網時代，我們開始把目光投向除傳統可再生電能、化石能源等“大能源”之外的微納能源等“小能源”。我對納米領域的研究始於1984年，那時納米還不叫“納米”。後來，2005年開始發展的基於納米發電機的高熵能源體系和壓電電（光）子學，成為當今我們領先世界的開創性原創領域。

　　納米能源與微納系統研究是納米科技中的一個重要組成部分，為物聯網、機器人和人工智慧的發展提供了新的能源技術，為人類探索和利用能源開闢了新的路徑和方式，前景廣闊。目前，我國納米科技工作者已建立了從環境和生物系統中，獲取隨機機械能來驅動移動傳感器的原理和技術路線圖。

　　納米發電機前景廣闊

　　《瞭望》：什麼是摩擦納米發電機？能分享一下背後的過程和體會嗎？

　　王中林：摩擦納米發電機，是一種將環境中的低頻次、低振幅的機械能量轉換為電能的能量採集裝置。

　　自從2006年世界上最小的發電機——壓電式納米發電機問世以來，納米發電機的概念和應用也有了質的飛躍和昇華。現在它已經是一個利用麥克斯韋位移電流把機械功高效轉為電功的領域，涉及化學、物理、機械原理、電子學，特別是在能源和傳感應用方面，成為跨領域新學科。

　　我們推導出適用於運動介質的擴展型麥克斯韋方程組，在通訊與高分辨電磁波成像等領域有深遠影響。我們的研究成果發表後，全世界每年有2000篇文章發表，60個國家和地區、800多個單元的逾7000名研究人員專注于這一領域。

　　摩擦納米發電機，能收集周圍環境中微小的震動機械能並轉變為電能，為其他納米器件如傳感器、探測器等提供能量。這種震動機械能普遍存在於自然界以及人們日常生活中。比如空氣或水的流動、引擎的轉動，甚至在人體內由於呼吸、心跳或是血液流動帶來的體內某處壓力的細微變化，均有可能帶動納米發電機産生電能。

　　因此，納米發電機的發明不僅為實現能源系統的微型化帶來了可能。更重要的是，對於實現具有完全無線、可生物植入，以及長時期甚至終生無需照管的納米或微電子器件，納米發電機也提供了一種理想的電源系統。

　　摩擦納米發電機最核心的用途是能源與傳感，在能源互聯網、智慧電網、物聯網、互聯網、生物醫學、無線通信和無線傳感等領域都將有廣泛應用，也是我們未來的研究和應用方向。

　　海洋發電或成現實

　　《瞭望》：什麼是海洋藍色能源技術？應用前景有哪些？

　　王中林：海洋中蘊含著波浪能、潮汐能、溫差能等豐富而清潔的可再生藍色能源。海洋能源若實現大規模商業化利用，將是一種嶄新的綠色能源，可極大滿足人類的能源需求、降低二氧化碳排放，同時帶來世界能源格局的深刻變化並影響經濟社會的方方面面。

　　例如，利用固液界面的接觸起電現象，研製出水能摩擦納米發電機，可用於對河流、雨滴、海浪的動能收集。摩擦納米發電機四種基本模式的組合應用，可以高效回收海洋中的動能資源，包括海水的上下浮動以及海浪、海流、海水的拍打。

　　如果將這些水能摩擦納米發電機結成網狀放置到海洋中，將會使海水無規則的運動轉變為源源不斷的電能，我們團隊將此描述為“新型藍色能源”。根據實驗數據做理論測算，每平方公里的海面面積、一米深的水，可以産生十兆瓦級的電能輸出。

　　以幅面一平方公里、深度一米的海水為例，每隔10厘米放置一台球形納米發電機，然後連成三維網，理論上可持續發出近1萬千瓦電，點亮100萬盞電燈。山東省大小的海面積産生的電能便可滿足目前全中國的總能耗，而千分之四(0.4%)的海平面面積發的電就能滿足全世界用。藍色能源的潛力不言而喻。

　　利用海洋能源是當今世界能源研究的前沿方向。但由於海洋波浪能開發成本高、經濟效益差，始終制約著其大規模商業化開發利用和發展。摩擦納米發電機通過摩擦起電和靜電感應的耦合將機械能轉化為電能，與現有其他發電技術不同，也使海浪能的收集成為可能。

　　加速孕育顛覆性技術變革

　　《瞭望》：你怎麼看“從0到1”？

　　王中林：面對我國“十四五”時期及更長時期發展的迫切要求，科技工作者要更加注重自主創新，實現更多“從0到1”的突破。即從基礎理論和物理機理本質上改頭換面，一旦成功就能實現巨大的技術突破。

　　“從0到1”不僅要有長期厚重的知識積累，還要有瞬間的靈感；既需要長期穩定堅持做基礎研究，久久為功，又需要聚焦比較優勢領域，突出重點；既需要自由探索，也需要從源頭或底層為長遠戰略目標提供支撐。

　　我們的未來不是靠預言出來的，而是靠實幹幹出來的。最優秀的科學家要做的，就是實現“從0到1”的突破。這也是最難的工作，往往需要“十年磨一劍”。我們近幾年在納米能源領域基礎科學研究中，就實現了幾個“從0到1”——

　　拓展了麥克斯韋方程組，奠定了納米發電機的理論基礎；

　　統一了摩擦起電（接觸起電）的物理模型，明確了電子躍遷是接觸起電的根本機理，解決了2600年的科學問題；

　　提出並驗證了跨原子電子躍遷是氣體-液體-固體多相間接觸起電的普適性機理，並首次提出了界面光譜學與接觸起電催化學；

　　確定了液體-固體接觸中界面電子轉移的過程，並提出了形成雙電層結構的兩步走機理模型。這些基礎科學的進展必將帶來技術的變革。

　　《瞭望》：我國的基礎研究與發達國家仍有差距，原因主要在哪？

　　王中林：在國際上，基礎研究包括基礎科學研究和基礎技術研究兩個層面。我們在提到基礎研究時，關注的往往是基礎技術研究，而不是基礎科學研究。

　　基礎研究具有規律性與傳承性，需要經過幾代甚至很多代人努力。中國的基礎科學研究起步晚、基礎薄弱，還沒有形成真正重視基礎科學的文化。這是目前中國基礎科學研究與歐美發達國家存在差距的重要原因之一。

　　此外，我國基礎研究的經費比例偏低，在一定程度上影響了基礎研究的發展。實現基礎研究的突破，重在打造科學的創新體系，關注科學的傳承性、人才培養的連續性、經驗和知識的積累性。尤其是要給科研人員長期的支持，讓他們能潛心基礎科學重要基本問題的研究，爭當基礎科學研究的國際領跑者，這樣才能做出高質量的科學探索和科技創新。

　　加快發展納米能源産業

　　《瞭望》：納米科技的國際競爭趨勢是什麼？有何建議？

　　王中林：中國科技界非常重視納米科技的創新與發展，納米領域涌現了很多高質量的原創性成果，整體研究水平已經走在了世界的前列。

　　我們要有科技引領性——不只是跟蹤世界前沿科技，還要以獨特的中國智慧和中國方案引領世界。目前來講，納米發電機和壓電電子學兩個領域，我們在國際上是領跑者。

　　在納米科技方面，中國人還需要做更多原創的東西，並且與工業化應用銜接起來。納米科技發展到今天，核心是要為社會解決重大問題。如果不解決問題，能發現新原理、新現象、新效應，在科學上取得進展也是很有意義的。但是目前這一類還是太少了，要注重把應用搞上去，往實業、産業走。

　　我們做科研，要麼能上“書架子”，在基礎科學上要有成果並成為經典科學，在國際頂級刊物上有聲音，自己的發明可以寫進教科書。要麼能上“貨架子”，真正把成果應用到祖國的大地上去，造福人民。兩個架子都上，那是最好。

　　在納米發電機這個我國引領世界發展的領域，我們應進一步聚焦能源與傳感等重點前沿，發展中國人創造的嶄新領域，增強科學界的民族自信心。