一篇腦洞大開的Nature：中國科學家用一滴水點亮了100個LED燈

一滴水，能夠幹什麼？

當唐代詩人韋應物留下「秋荷一滴露，清夜墜玄天；將來玉盤上，不定始知圓」的美妙的詩篇的時候，他不會想到，一千多年後的今天，這滴水會像Pizza一樣「餅狀彈跳」，會「蹦床」，會跳起「芭蕾舞」，會實現「水往高處走」，還可以用來發電，點亮這個世界。

地球上的水資源不計其數，全球表面積的70%被廣闊的海域覆蓋，世界年降水量近50萬億噸，這些龐大的水資源就像是開採甚少的能源寶藏。從能源開發的角度考慮，其蘊含著巨大的機械能。如何有效的將低頻的無序的水運動的能量高效收集起來，是近年來能源領域的研究熱點之一。

最近，香港城市大學的王鑽開教授、美國內布拉斯加大學林肯分校的曾曉成教授和中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士合作，開發了一種新型液滴發電機，使得傳統方案中水滴機械能轉化為電能的功率得到3個數量級的提高。

液滴發電機的基本原理

液滴發電機由鋁（Al）電極，聚四氟乙烯(PTFE)薄膜和氧化銦錫(ITO)電極三層結構組成(圖1)，這種結構與場效應電晶體結構（FET三極體）很類似。作為集成電路的最基本單元，三極體的發明深刻的改變了信息傳遞的方式，並於1956年獲得諾貝爾物理獎。它由柵極、源極、漏極三個極組成，基本原理是通過調節柵極上的門電壓，從而控制源極和漏極之間溝道的形成，進一步控制兩極之間電荷的流動。

PTFE/ITO和Al電極的作用類似於場效應管中的源極和漏極，用於儲存、轉移電荷，而動態的水滴則與FET中的柵極門有著異曲同工之妙。柵極作為一個開關，使源極和漏極之間形成通路，表面儲存的大量電荷可以藉此得以釋放。

圖1. 液滴發電機設計

具體而言，整個過程分為三步：

1）通過重複液滴撞擊PTFE表面讓其捕獲並穩定存儲大量靜電荷，最終形成很高的表面電荷密度（圖2）。

2）動態的水滴則與FET中的柵極門有著異曲同工之妙，當水滴鋪展至接觸Al電極時，整個裝置便形成閉合的迴路，電荷得以在ITO電極和Al電極之間發生轉移，並輸出電能（圖3）。

3）整個發電裝置就回到原始狀態，形成一個完全可逆，重複工作的迴路。隨著反覆的液滴撞擊與脫離，積存在ITO上高密度電荷(由PTFE表面電荷靜電感應形成)得以在ITO電極和Al電極之間反覆流動。

圖2. PTFE表面電荷量隨著液滴撞擊逐漸增加並最終達到飽和

核心創新點

1）電荷密度得到數量級提高；

與傳統的發電機相比，固體表面的電荷密度可以通過液滴反覆撞擊或者離子注入大大提高。

2）類FET三極體結構設計使得整個發電過程形成閉合迴路。

這項工作中則採用了類場效應管電晶體（FET）三極體結構設計，形成了一個體效應，可以使產生的大量電荷得以快速轉移。

圖3. 液滴撞擊導致的電荷轉移

3個數量級的功率提升

由於類FET結構和高表面電荷密度這兩個因素的巧妙結合，新型液滴發電機展現出超強的發電效率：僅僅一個100微升的水滴從15釐米的高度撞擊到裝置表面，可以產生超過140 V的電壓、200 μA的電流，並且其最大功率可以達到50.1 W m-2（圖4），這些性能均比傳統液滴發電機設計方案高几個數量級。

圖4.400個LED燈珠可以被四個液滴點亮

不僅如此，新型液滴發電機透明、光滑，且對高溼度、低溫等多種極端環境，均有較強的抵抗能力。也許在不久的將來，大規模集成的新型液滴發電機會出現在窗戶、屋頂、海邊，收集著這些無處不在的能源，為解決人類日漸枯竭的能源問題做出貢獻。

納米人專訪

1）液滴發電機和傳統水力發電、潮汐發電相比，區別是什麼？優勢在哪裡？

王鑽開教授：與傳統的液滴發電機相比，我們的固體表面的電荷密度可以通過液滴反覆撞擊或者離子注入大大提高。另外，這種設計不局限於液滴，也適用于波浪發電。傳統水力發電、潮汐發電只能利用中高頻運動，而我們設計的新型發電機恰恰可以高效地收集低頻的海浪能源，為解決能源危機提供新的範式。

2）這種新型的液滴發電機和傳統摩擦發電機相比，主要創新點在哪裡？

王鑽開教授：主要創新點有兩點：1）通過液滴反覆撞擊，電荷密度得到數量級提高；2）類FET三極體結構設計使得整個發電過程形成閉合迴路。兩者結合，將整個功率得到3個數量級的提高。

除此之外，為了考慮整個方案的實際可行性，我們都是採用最簡單的設計。不需要特殊的二維材料或者超疏水材料等等，直接以常規的PTFE、ITO和Al構成發電機；一滴水，就能點亮LED燈。

3）這項研究中，遇到最大的困難是什麼？如何解決的？

王鑽開教授：如果說困難，那就是關於電荷分離的問題。為了保證發電機高效工作，水滴撞擊表面後，需要儘快離開表面。我們最初嘗試了超疏水材料，但是考慮到目前超疏水材料的耐候性差的特點，最終還是選擇了普通的平面。我們發現，這種簡單的設計，也能得到非常好的效果。

論文的共同第一作者是：香港城大機械工程學系的徐王淮 、鄭煥璽 、周曉峰（現為華東師範大學副教授），以及美國內布拉斯加大學林肯分校的劉源。

其他合作者包括：中國科學技術大學的徐曉嶸教授，香港城大能源及環境學院梁國熙教授、機械工程學系楊徵保博士、博士後研究員張超博士和博士生宋雨欣，以及來自電子科技大學的鄧旭教授。

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