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夢尋納米發電機的理論源頭:從物理學第一大方程組談起
發表日期: 2017-01-14 文章來源:
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  我們今天用的手機是無線通信的典型代表,而無線通信是基于電磁波來傳播信息。那電磁波最初是如何被人們認識到的呢?這可以追溯到1861年偉大的英國科學家麥克斯韋提出的麥克斯韋方程組。由于其簡潔、完美和對稱性,該方程組在物理學十大方程中被譽為第一大方程組。當麥克斯韋根據當時掌握的實驗證據推導這些方程式時,例如高斯定理、法拉第電磁感應定律、安培定律等,他發現電荷的連續性方程沒有得到滿足,于是他就大膽的在方程組里引進了位移電流的概念。根據這個完全是理論構想出來的“電流”,麥克斯韋預言了電磁波的存在。而在1886年相關實驗證明了其理論的正確性,隨后英國人提出廣播“radio”的概念,并于1901年首次利用無線電波實現了穿越大西洋的通訊。如果要追根溯源的話,現代人類社會快速發展所需的通信和微電子技術其實都來自于麥克斯韋方程組。現在人們普遍所知的電磁波譜,其波段包括X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波,太赫茲波、以及無線電波,這一切都歸功于麥克斯韋方程組給出的理論支撐,我們才會有現代的收音機、電視、雷達和無線通訊等技術。物理學歷史上認為牛頓的經典力學打開了機械時代的大門,而麥克斯韋電磁學理論則為信息時代奠定了基石。1931年,愛因斯坦評價麥克斯韋的建樹“是牛頓以來,物理學最深刻和最富有成果的工作?!?麥克斯韋方程組以完美,對稱和準確震撼了世世代代的科學家,它在電磁學中的地位,如同牛頓運動定律在力學中的地位一樣。 

  麥克斯韋的位移電流由兩項組成: 

JD = ?D/?t =ε0 ?E/?t + ?P/?t 

  位移電流不同于我們常規觀察到的自由電子傳導的電流,而是由于時間變化的電?。ㄉ鮮降諞幌睿┰偌由纖媸奔潯浠腦郵康綰傻奈⑿≡碩筒牧現械牡緗櫓始ㄉ鮮降詼睿?。位移電流的第一項不但統一了電場和磁場,同時預言了電磁波的存在,奠定了無線通訊的物理基礎。在一般各向同性的介質中, 第二項和第一項合并起來, 位移電流就變為 JD =ε?E/?t,因此,一般人就把第二項給忘記了,而且教科書中也不再討論由極化引起的電流。然而在具有表面極化電荷存在的介質,例如壓電材料和摩擦起電,第二項最近被發現是納米發電機的根本理論基礎和來源,展現了這個被“遺忘的經典物理學中的一個重大概念在新時代的輝煌應用。

  壓電納米發電機和摩擦納米發電機是中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家、佐治亞理工學院王中林教授分別于2006年和2012年所發明的,它們可以實現從機械能到電能的轉換。壓電納米發電機是利用壓電極化電荷和所產生的隨時間變化的電場來驅動電子在電路中的流動,而摩擦納米發電機是利用兩種不同材料接觸所產生的表面靜電荷所導致的隨時間變化的電場來驅動電子的流動。近日,王中林院士親自撰文,首次揭示了納米發電機的理論源頭來自于麥克斯韋的位移電流的第二項,并由此推導出壓電納米發電機和摩擦納米發電機的基本輸運方程。相關綜述文章“論麥克斯韋位移電流在能源與傳感中的應用:納米發電機的源頭”發表于最新一期的《今日材料》Materials Today期刊。(DOI: 10.1016/j.mattod.2016.12.001;免費下載://authors.elsevier.com/sd/article/S1369702116303406 )。王中林的論文找到了納米發電機的根源,使得它和經典物理的“神方程”聯系在一起,貫通了原始的理論,現在的技術和未來的應用。

1 從麥克斯韋位移電流的兩個分量導出的主要基礎科學,技術和工業影響。左側是衍生的電磁波理論影響了上世紀通訊技術的發展;右側是位移電流衍生的新技術用于能源和傳感器,極大可能會影響未來世界的發展。 

  在過去的20世紀里,現代社會通過廣播和通訊衛星建立起來的經濟、文化和政治上的廣泛聯系都直接產生于麥克斯韋方程組中包含位移電流的判斷。這個著名且天才的方程組就像根基穩固的大樹,孕育出了枝繁葉茂碩果累累的現代人類社會。從18861930年代,位移電流第一項推導出的電磁波理論,電磁感應現象催生出了天線廣播,電視電報,雷達微波,無線通信和空間技術。在1960年代,電磁統一產生光的理論,又給激光的發明和光子學的發展提供了重要的物理理論基礎。此外,飛機、船舶和宇宙飛船的控制與導航,電力和微電子工業的技術進步都離不開麥克斯韋。而從2006年至今,位移電流第二分量基于媒介極化的特點催生出了壓電納米發電機和摩擦納米發電機的興起,將極大地推動新能源技術和自供電傳感器技術的發展,使納米發電機能源系統在物聯網,傳感器網絡,藍色能源甚至大數據等影響未來人類發展的重大方面得到廣泛的應用。經過150余年的時空印記,追本溯源,納米發電機是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術后在能源與傳感方面的另一重大應用。在可以預見的未來,這棵汲取物理學第一大方程組營養的大樹,將愈發茁壯成長,引領技術革新,深刻改變人類社會(1)。 

2關于納米發電機作為微/納能源,藍色能源和自供電傳感器的三個主要應用領域的概述。圍繞三個方向上的照片是過去幾年王中林教授課題組展示的實驗。 

  基于大量的壓電納米發電機和摩擦納米發電機的理論和實驗模型,在納米能源與系統領域,王中林教授開創了一系列里程碑式的工作。通過收集環境中的機械能(如風、摩擦、聲學、超聲波、生物、流體),納米發電機轉化環境中的機械能為電能。文章中首次發表了納米發電機的三大應用方向(圖2):微納能源,自驅動傳感,藍色能源。具體闡述為作為可持續的納/微功率電源用于微小型設備(如電子皮膚、可植入醫療器件、可穿戴柔性電子器件等)的自供電;作為自驅動傳感器用于健康監測,生物傳感,人機交互,環境監測,基礎設施安全等;并作為基礎網絡單元,在低頻下收集海水運動能量直至實現藍色無污染能源的偉大夢想。從微觀尺度的能源收集到宏觀高能量密度的發電,從微小的機械振動到浩瀚的海洋,納米發電機能源系統為實現集成納米器件和大規模能源供應打下了堅實的理論和技術基礎,并將應用于物聯網,衛生保健,醫藥科學,環境?;?,國防安全乃至人工智能等諸多領域,有可能影響人類社會生活的方方面面。 

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