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AI研究所▲自然界中下落的水滴也可以用来发电，新型液滴发电机

水力发电早已不是什么新鲜事 。 利用水位落差 ， 将位于高处的河流、湖泊流至低处时所包含的势能 ， 通过水轮机、发电机产生电能 ， 是一种可再生能源 。
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三峡大坝水力发电站
宏观势能转换为电能很好理解 ， 不过你可曾想过 ， 一些微观能量汇集起来 ， 也能为人类产生巨大的供电量呢？例如 ， 一颗下落的雨滴 。
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最近 ， 香港城市大学科学家领导的研究小组就开发了这样一种基于液滴的发电机（DEG） 。 他们的研究证明 ， 从15厘米的高度释放的一滴100微升（1/10000升）的水 ， 可以产生超过140V的电压 ， 产生的功率可以点亮100个小型LED灯泡 。
液体也能摩擦生电这项研究是由城大机械工程系的王钻开教授 ， 内布拉斯加大学林肯分校的曾晓成教授、中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所的首席科学家王中林教授共同领导的 。
想要了解这项研究 ， 就不得不提及一个重要的概念：摩擦电效应 。
塑料梳子摩擦头发之后可以吸起碎纸片 ， 这个实验不少人都做过 。 实际上 ， 不只是固体摩擦会发生起电现象 ， 固、液、气中的任意两种物质 ， 无需摩擦 ， 只需要接触即可起电 。 例如 ， 在自然界中下落的雨滴往往就是携带负电荷的 。
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梳子摩擦后可以吸起小纸片 ， 这个是不是小学实验课大家都有做过？
不过 ， 由于接触起电过程非常复杂 ， 并且一直以来缺乏在纳米尺度上的研究工具等观原因 ， 科学家们对这一现象本质的理解一直不是很充分 。 直到2012年 ， 王中林院士团队发明了摩擦纳米发电机（triboelectricnanogenerators,TENG）并对接触起电在纳米尺度上进行深入研究 ， 才从理论和实验上揭开了这一现象的本质 。
他的研究证明：接触起电是电子主导的电荷转移过程 。 当原子间距处于斥力区 ， 电子云发生交叠 ， 电子才会在两种物质间发生转移 。
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电子云势阱模型
此外 ， 王中林还提出了固液界面双电层形成的根源以及接触起电的普适性模型 。
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固液界面形成双电层的两步过程
基于以上理论基础 ， 摩擦纳米发电机问世：基于摩擦电效应的常规液滴能量产生器 ， 可以在液滴撞击表面时产生由接触带电和静电感应带电 。 然而 ， 在表面上产生的电荷量受到界面效应的限制 ， 能量转换效率非常低 。
电能转换效率的突破为了提高转换效率 ， 研究团队花了两年时间开发液滴发电机 。 它的瞬时功率密度可以达到50.1W/m2 ， 是不使用类似FET的设计的其他同类设备的数千倍 。 并且能量转换效率明显更高 。
城大的王教授指出 ， 这项发明有两个关键因素 。 首先 ， 研究小组发现撞击在驻极体材料上具有准永久电荷的PTFE上的连续液滴 ， 为高密度表面电荷的积累和存储提供了一条新途径 。 他们发现 ， 当水滴连续撞击PTFE表面时 ， 产生的表面电荷将累积并逐渐达到饱和 ， 这一新发现克服了先前工作中遇到的低电荷密度瓶颈 。
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PTFE表面电荷量随着液滴撞击逐渐增加 ， 最终达到饱和
其设计的另一个关键特征是与FET类似的独特的场效应晶体管结构 。
该设备包括一个铝电极和一个铟锡氧化物（ITO）电极 ， 上面沉积有PTFE膜 。 PTFE/ITO电极负责电荷的产生 ， 存储和感应 。
这种结构与场效应晶体管结构（FET三极管）很类似 。 当下落的水滴撞击并散布在PTFE/ITO表面上时 ， 自然会“桥接”铝电极和PTFE/ITO电极 ， 与FET中的栅极门有同样的作用 ， 从而将原始系统转换为闭环电路 。


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