一滴水点亮100盏LED灯！中国科学家打造水滴发电机

张二七

水力发电并不新鲜。今天，当能源日益稀缺时，水力发电提供了一种清洁的可再生能源。水力发电主要利用水位下降将水的势能转化为水轮的机械能，从而推动发电机发电。然而，受技术的限制，目前的水力发电仅利用波浪、潮汐和河流的中高频运动，这些水体甚至雨水中所含的低频动能还没有被有效地转化为电能。

最近，由香港城市大学机械工程系王京凯教授、内布拉斯加州林肯大学曾程潇教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王忠林院士领导的研究小组开发了一种新型液滴发电机。发表在《自然》杂志上的这项研究表明，新型水滴发生器的瞬时功率密度，即每平方米单位时间产生的最大功率可达50.1瓦，是其他原理类似的水滴发生器的几千倍。实验表明，一滴水可以产生足够的电力来点亮100个小的发光二极管灯。

两个关键设计

多年来，许多科学家一直在研究这种发电方法。以前，根据摩擦起电效应制造的水滴发生器在每个水滴撞击表面时利用摩擦和静电感应来发电。然而，一滴水可以产生非常少的表面摩擦电荷，因此这种传统的水滴发生器的功率转换效率非常低。

为了实现更高的功率转换速率，最新研究采用了两种关键设计。首先，研究小组使用聚四氟乙烯(PTFE)，一种能长时间保持电荷的驻极体材料。在2019年发表在《自然》杂志上的另一项研究中，研究小组发现，当水滴不断撞击聚四氟乙烯薄膜时，摩擦起电产生的表面电荷会在聚四氟乙烯薄膜中积累，直至饱和。这样，聚四氟乙烯可以在液滴连续冲击后储存高密度的表面电荷。这样，解决了以往水滴发生器中电荷密度低导致的效率低的问题。

那么，我们如何有效地利用这些电荷来发电呢？这就要提到水滴发生器的整体结构。整个水滴发生器非常小，由一个铝电极和一个表面带有聚四氟乙烯薄膜的氧化铟锡(ITO)电极组成。在发电之前，需要16，000多滴水来滴落或直接注入离子，以使聚四氟乙烯累积负电荷至饱和状态。此时，水滴发生器可以开始运行。

整个发电过程可分为三个步骤:1)在聚四氟乙烯带一定电荷的情况下，通过静电感应，ITO带等量的正电荷，此时电路断开；2)当水滴滴落在聚四氟乙烯表面并接触铝电极时，水滴连接铝电极和铟锡氧化物之间的通道，从而将铟锡氧化物的正电荷转移到铝电极并产生电流；3)水滴落下后，电路断开。由于静电感应，ITO继续积累正电荷，等待下一滴水循环。

在整个过程中，聚四氟乙烯薄膜上积累的表面电荷不会释放。发电开始后，整个电路中的电流源实际上是每个周期中由ITO通过静电感应储存的正电荷。由于静电感应，电路断开时的正电荷量与聚四氟乙烯上积累的电荷量相同。换句话说，每一滴水产生的电是16000多滴水摩擦产生的电的总和。

水滴发生器的整体结构是研究中的另一个关键突破。根据这篇文章的通讯作者王京凯教授所说，它的结构类似于1956年获得诺贝尔物理学奖的场效应晶体管(场效应晶体管三极管)。三极管由栅极、源极和漏极组成。通过控制栅电极，可以控制源电极和漏电极是否连接，从而进一步控制两个电极之间的电荷流动。这种看似简单的结构是集成电路最基本的单元。它的发明深刻地改变了信息传递的方式。

在新开发的水滴发生器中，聚四氟乙烯/氧化铟锡和铝电极类似于存储和传输电荷的三极管中的源电极和漏电极。除了发电前聚四氟乙烯薄膜电荷的积累，水滴在发电过程中还充当网格电极。随着水滴落下，它也变成了一个开关，定期自动接通和断开，控制着整个电路。

一滴水点亮一百盏发光二极管灯。

王京凯教授说:“我们的研究表明，从15厘米高的地方释放出0.1毫升的水，可以产生140伏或更高的电压，其功率可以点亮100盏小型发光二极管灯。”瞬时发电效率的提高来自于水滴动能的充分利用。“这些水滴的动能来自重力，可以说是免费的和可再生的。充分利用这一资源可以减少我们对化石燃料的依赖，并有助于世界的可持续发展。”

除了自来水，这种新的水滴发生器还可以从雨滴和海水中收集能量。例如，研究人员设计了一种雨水收集和流量控制装置。用于发电的水滴的大小和速度只能通过调节流速控制器中毛细管的直径和释放高度来精确控制。类似地，海水和其他水源可以被分离成这种不连续的液滴阵列。

至于未来的研究方向，王京凯教授在接受《全球科学》采访时表示:“我们的转换效率比传统的液滴发电高出数千倍，但仍需要从实际应用中进一步优化，以进一步提高输出功率。”

考虑到整个方案的实际可行性，研究小组采用了最简单的设计，不需要特殊的二维材料或超疏水材料。王京凯教授希望这种设计能在未来扩展到所有类型的固液接触表面:“我们工作的突破是用最简单的设计解决这个领域最关键的问题之一。这是一个通用的设计，就像三极管改变了电子工业，这项研究也应该有潜力改变固液发电。在未来，它可以在任何地方使用，从微纳设备到蓝色海洋，只要水和固体之间存在相对滑动，它就可以发电。”