城大王钻开教授、UNL曾晓成教授和纳米能源所王中林院士合作Nature:用一滴水点亮了100个LED灯

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来源：纳米人

撰文：王钻开课题组

一滴水，能够干什么？

当唐代诗人韦应物留下“秋荷一滴露，清夜坠玄天；将来玉盘上，不定始知圆”的美妙的诗篇的时候，他不会想到，一千多年后的今天，这滴水会像Pizza一样“饼状弹跳”，会“蹦床”，会跳起“芭蕾舞”，会实现“水往高处走”，还可以用来发电，点亮这个世界。

固/液接触时间的吉尼斯世界纪录丨王钻开课题组【1】
液滴在曲面表面上非对称弹跳丨王钻开课题组【2】
液滴在超疏水表面上蹦床丨ETH Dimos Poulikakos课题组【3】


液滴的芭蕾舞丨宋延林课题组【4】
液滴可以在超疏水表面上快速铺展而不弹跳丨江雷课题组【5】
奇妙，水往高处走丨邓旭/王钻开/Butt课题组【6】
地球上的水资源不计其数，全球表面积的70%被广阔的海域覆盖，世界年降水量近50万亿吨，这些庞大的水资源就像是开采甚少的能源宝藏。从能源开发的角度考虑，其蕴含着巨大的机械能。如何有效的将低频的无序的水运动的能量高效收集起来，是近年来能源领域的研究热点之一。 最近，香港城市大学的王钻开教授、美国内布拉斯加大学林肯分校的曾晓成教授和中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作，开发了一种新型液滴发电机，使得传统方案中水滴机械能转化为电能的功率得到3个数量级的提高。  液滴发电机的基本原理液滴发电机由铝（Al）电极，聚四氟乙烯(PTFE)薄膜和氧化铟锡(ITO)电极三层结构组成(图1)，这种结构与场效应晶体管结构（FET三极管）很类似。作为集成电路的最基本单元，三极管的发明深刻的改变了信息传递的方式，并于1956年获得诺贝尔物理奖。它由栅极、源极、漏极三个极组成，基本原理是通过调节栅极上的门电压，从而控制源极和漏极之间沟道的形成，进一步控制两极之间电荷的流动。
PTFE/ITO和Al电极的作用类似于场效应管中的源极和漏极，用于储存、转移电荷，而动态的水滴则与FET中的栅极门有着异曲同工之妙。栅极作为一个开关，使源极和漏极之间形成通路，表面储存的大量电荷可以藉此得以释放。 图1. 液滴发电机设计 具体而言，整个过程分为三步：1）通过重复液滴撞击PTFE表面让其捕获并稳定存储大量静电荷，最终形成很高的表面电荷密度（图2）。2）动态的水滴则与FET中的栅极门有着异曲同工之妙，当水滴铺展至接触Al电极时，整个装置便形成闭合的回路，电荷得以在ITO电极和Al电极之间发生转移，并输出电能（图3）。3）整个发电装置就回到原始状态，形成一个完全可逆，重复工作的回路。随着反复的液滴撞击与脱离，积存在ITO上高密度电荷(由PTFE表面电荷静电感应形成)得以在ITO电极和Al电极之间反复流动。 图2. PTFE表面电荷量随着液滴撞击逐渐增加并最终达到饱和 核心创新点1）电荷密度得到数量级提高；与传统的发电机相比，固体表面的电荷密度可以通过液滴反复撞击或者离子注入大大提高。2）类FET三极管结构设计使得整个发电过程形成闭合回路。这项工作中则采用了类场效应管晶体管（FET）三极管结构设计，形成了一个体效应，可以使产生的大量电荷得以快速转移。 图3. 液滴撞击导致的电荷转移 3个数量级的功率提升由于类FET结构和高表面电荷密度这两个因素的巧妙结合，新型液滴发电机展现出超强的发电效率：仅仅一个100微升的水滴从15厘米的高度撞击到装置表面，可以产生超过140 V的电压、200 μA的电流，并且其最大功率可以达到50.1 W m^-2（图4），这些性能均比传统液滴发电机设计方案高几个数量级。 图4.400个LED灯珠可以被四个液滴点亮
不仅如此，新型液滴发电机透明、光滑，且对高湿度、低温等多种极端环境，均有较强的抵抗能力。也许在不久的将来，大规模集成的新型液滴发电机会出现在窗户、屋顶、海边，收集着这些无处不在的能源，为解决人类日渐枯竭的能源问题做出贡献。 专访 1）液滴发电机和传统水力发电、潮汐发电相比，区别是什么？优势在哪里？
王钻开教授：与传统的液滴发电机相比，我们的固体表面的电荷密度可以通过液滴反复撞击或者离子注入大大提高。另外，这种设计不局限于液滴，也适用于波浪发电。传统水力发电、潮汐发电只能利用中高频运动，而我们设计的新型发电机恰恰可以高效地收集低频的海浪能源，为解决能源危机提供新的范式。 2）这种新型的液滴发电机和传统摩擦发电机相比，主要创新点在哪里？
王钻开教授：主要创新点有两点：1）通过液滴反复撞击，电荷密度得到数量级提高；2）类FET三极管结构设计使得整个发电过程形成闭合回路。两者结合，将整个功率得到3个数量级的提高。
除此之外，为了考虑整个方案的实际可行性，我们都是采用最简单的设计。不需要特殊的二维材料或者超疏水材料等等，直接以常规的PTFE、ITO和Al构成发电机；一滴水，就能点亮LED灯。 3）这项研究中，遇到最大的困难是什么？如何解决的？
王钻开教授：如果说困难，那就是关于电荷分离的问题。为了保证发电机高效工作，水滴撞击表面后，需要尽快离开表面。我们最初尝试了超疏水材料，但是考虑到目前超疏水材料的耐候性差的特点，最终还是选择了普通的平面。我们发现，这种简单的设计，也能得到非常好的效果。 论文的共同第一作者是：香港城大机械工程学系的徐王淮 、郑焕玺 、周晓峰（现为华东师范大学副教授），以及美国内布拉斯加大学林肯分校的刘源。其他合作者包括：中国科学技术大学的徐晓嵘教授，香港城大能源及环境学院梁国熙教授、机械工程学系杨征保博士、博士后研究员张超博士和博士生宋雨欣，以及来自电子科技大学的邓旭教授。
参考文献：1. Yahua Liu, Lisa Moevius, Xinpeng Xu,Tiezheng Qian, Julia M Yeomans, Zuankai Wang.Pancake bouncing on superhydrophobic surfaces. Nature Physics, 10, 515-519(2014).2. Yahua Liu, Matthew Andrew, Jing Li, Julia M Yeomans, Zuankai Wang. Symmetry-breakingin drop bouncing on curved surfaces. Nature Communications, 6, 10034, (2015).3. Thomas M.Schutzius, Stefan Jung, Tanmoy Maitra, Gustav Graeber, Moritz Köhme, Dimos Poulikakos, Spontaneous droplet trampolining on rigid superhydrophobic surfaces，Nature，527, 82(2015).4. Huizeng Li, Wei Fang, Yanan Li, Qiang Yang, Mingzhu Li, Qunyang Li, Xi-Qiao Feng &Yanlin Song Spontaneous droplets gyrating via asymmetric self-splitting onheterogeneous surfaces. Nature Communications, 10, 950 (2019).5. Meirong Song, Jie Ju, Siqi Luo, Yuchun Han, Zhichao Dong, Yilin Wang, Zhen Gu, LingjuanZhang, Ruiran Hao, Lei Jiang. Controlling liquid splash on superhydrophobicsurfaces by a vesicle surfactant. Science Advances, 3, e1602188 (2017).6. Qiangqiang Sun, Dehui Wang, Yanan Li, Jiahui Zhang, Shuji Ye, Jiaxi Cui, Longquan Chen,Zuankai Wang, Hans-Jürgen Butt, Vollmer Doris, Xu Deng. Surface charge printingfor programmed droplet transport. Nature Materials, 18, 936 (2019).7. Wanghuai Xu, Huanxi Zheng, Yuan Liu, Xiaofeng Zhou, Chao Zhang, Yuxin Song, Xu Deng,Michael Leung, Zhengbao Yang, Ronald X. Xu, Zhonglin Wang, Xiao Cheng Zeng,Zuankai Wang. A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density. Nature, Doi：10.1038/s41586-020-1985-6

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-1985-6

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