我们从一个有2600年历史的科学现象，创造出一种新能源的产生方式
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作 者 | 王中林 ·中国科学院外籍院士
北京纳米能源与系统研究所所长、首席科学家
来 源 | 格致论道讲坛
编 辑 | 扑克投资家，转载请注明出处
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今天，我将用我们的发明故事，讲一堂从摩擦起电到新时代能源的原创，再到相关技术应用的科普课。
▲ 从左至右：1976年-1987年-2013年
提到科学研究就要提到一个词：原创。什么是原创？电脑就是一种原创。苹果电脑从1976年的第一款（左图）发展到1987年（中图），再到现在（右图）已经经过了几十年。
这些电脑是原创，但它们不是最早的原创。最早的原创其实是三极管、二极管还有集成电路。这些从0到1的研究和发明是如何产生的呢？
上图展示了世界上第一个晶体三极管、第一块集成电路、第一个微处理器、第一个小计算器、第一块电子手表以及现在的集成电路。这些都是原创，它们给我们生活带来了翻天覆地的变化。
每一个原创背后都有动人的故事，我今天想讲的故事就是纳米发电机的发明过程以及它对未来技术的影响。
把小小的现象变成伟大的发明
我们非常熟悉的能源有煤、油、气。能源变革是人类历史上重大技术革命的根本。从蒸汽时代到电气时代再到信息时代，人类文明正一步步向前发展。
▲ 人类历史上的重大技术革命
现在，更创新的发明就是微纳技术。像我们手机里面上亿个小三极管用的就是微纳技术。当器件越来越小的时候，它需要的功耗也越来越小，而这个小的功耗就是微纳能源。
我们是何时开始做微纳能源的呢？
2005年，我开始带着学生做纳米材料——生长纳米材料，测量它的力学性能，并尝试测量它的压电系数。有些材料在应力作用下会发生微小的形变，产生小电压，就叫压电材料。
我们用原子力显微镜进行纳米材料压电系数的测量，发现它输出了5毫伏的电压，所以我们称它为纳米发电机。
▲ 故事的开始：压电式纳米发电机的发明 （2005）
上图是我们第一次把单根纳米线放到人的手指上，用手指的动作来收集能量的情形。
▲ 压电式纳米发电机
这种能量是是杂乱无章散落在环境中、无法再利用的低质量的能源。我们过去无法把这种杂乱的功变成电力，但是用纳米材料做的纳米发电机就有可能实现。这是我们的第一步。
▲ 压电式纳米发电机：仓鼠发电
那么，能否利用动物无规则的运动来发电呢？通过一定的设计，我们就可以做到利用小发电机将小仓鼠的运动转变成一个小电力。这就是我们的第二步。
在提升纳米发电机的输出的过程中，我们发现这个输出是可以持续提升的。
上图是2011年画的，那时我们实现了50伏的输出。从5毫伏到50伏，是1万倍的增加。中间是完成第一步时我和学生的合照。这张照片很有意义，它引导着我们从2006年一直走到了现在。在这一阶段，我们始终在坚持寻找提升器件输出的方法。最终，一个重大的发明出现了，这个发明其实是一个小小的现象引发的。
▲ 摩擦纳米发电机的发明（2011）
上图这是封装好的器件。有一天，一位学生告诉我这个纳米发电机的输出有3-5伏。我说我不大相信，让他再重复做几次。在这个重复的过程中，有的纳米发电机做到了这一程度的输出，而有的则没有。这个输出到底是不是真实的呢？
▲ 摩擦纳米发电机
面对前路的困境，我们始终没有放弃。通过6个月的研究，我们发现，是摩擦起电在这一现象中起了作用。因此，我们就称这种纳米发电机为摩擦纳米发电机。
摩擦纳米发电机刚开始发电的时候只有3-5伏的电压，不是很高。虽然这是从一个错误的实验中总结出来的，但它也是一个新的发现。
获取能源的全新方式
摩擦起电是一个无人不知的现象，它也是初中生学习电荷的开端，像雷电以及穿毛衣时产生的静电就是典型的摩擦起电。
玻璃棒和毛皮摩擦就会产生电荷，这就是静电的由来。而电荷或者说电子的流动则会产生电流。无论是液体、气体还是固体，所有材料的组合都会发生摩擦起电的现象，它是非常普遍的。
既然静电荷是静止的电荷，它为什么会流动呢？
尽管摩擦起电是一个有着2600年古老历史的科学现象，但是我们现在仍然缺乏对该现象的科学解释，这是一个被科学遗忘的角落。
▲ 摩擦纳米发电机：风力发电
利用摩擦纳米发电机，我们就能够把口中吹出来的微风变成一个小小的电力。
▲摩擦纳米发电机回收走路的能量
如果把器件放在地板上，人在上面行走，就能产生几瓦的电。这些在以前都是无法做到的，但是利用纳米发电机我们就能够实现。
在生物工程中，任何器件植入体内都需要有电源才能工作，我们熟悉的心脏起搏器就是一个典型例子。摩擦纳米发电机可以做成片状植入人体内，上面就是首次运用摩擦纳米发电机驱动的商用心脏起搏器。
我们总共花费了12年的时间来制作这个心脏起搏器的自驱动。自驱动就是利用人体的活动或者呼吸所产生的微小能量来驱动一个心脏起搏器。
目前我们已经做到凭借一次呼吸产生的能量，就能够满足驱动心脏起搏器运行一次半的需求，这是一个很重要的里程碑。
对人体的监测来说，不管体内、体外都离不开这种微小的能源，即微纳能源。这就是小能源，大用途。医疗健康、护理、电子产品等领域，都无法离开电源，因此，摩擦纳米发电机的发明可以说是提供了一个崭新的获取能源的方式。
那么雨水能不能发电呢？答案是可以的。2014年，我和团队成员做了一把伞，在下雨的时候，伞面会闪闪发光，这是我们首次做到用雨水发电。
讲到大电力，有人问我：王老师，微纳能源什么时候能够驱动整个世界呢？这需要比较长的时间。
水力发电是电磁发电机的应用。法拉第1831年发明电磁感应现象所用的设备时，可能也无法想象到后来能做出这么大的涡轮机来发电。
修三峡大坝与带动涡轮机转动等电磁发电机的应用，都是在收集高质量能源。而那些散落在环境里的频率低、慢、杂乱无章的是低质量能源，它们无法得到利用。
我们的发明正好能够弥补电磁发电机的这一短板。在慢动作下，电磁发电机的效率很低，而我们的纳米发电机的效率则非常高。
上图中左边的是电磁发电机，右边是摩擦纳米发电机。电磁发电机需要转得很快才能够带动一两个灯亮起来，因为它需要在高频率下才能供给高质量能源。
对于摩擦纳米发电机而言，环境中散落的低质量能源在低频下它也能够实现高效输出，我们做到了与传统能源收集方式互补。所以在理论上，摩擦纳米发电机是一个崭新的领域。
自然中的总能量是守恒的，我们每天开车消耗的能量和烧油、烧气产生的热能就都散落到环境中了。能源的分布实际上是熵的增加——即趋向于平衡与发散。在这种前提下，很多能源一旦放出去就无法回收了，而我们的发明就能够有效利用散落在环境中的能量。
摩擦纳米发电机的应用
那么，如何实现微纳能源的大规模应用呢？
海水的运动很慢，我们可以做一种球形的摩擦纳米发电机放到水里实现发电，我们也可以模拟海浪，把它放到池道里面。
如果能够做出这种网格式的发电网，我们就有可能在大能源方面提供一个根本的思路并有所建树。如果对全世界的海岸线加以利用，总共能产生75太瓦的能源，这是全世界总能耗的四倍半。
我们无法利用这些能源的原因就是缺乏有效的技术，所以我们需要进一步迈向海洋，迈向蓝色大能源。别看摩擦纳米发电机能输出的能源小，如果堆积起来，它们就不是小能源了。
▲基于摩擦纳米发电机的自驱动传感
纳米发电机不光能输出能源，还能传感。我们利用摩擦纳米发电机做的传感器是自驱动传感，即不需要任何的放大和外界的功力源，只要触碰一下，它就可以实现信号的传输。
基于摩擦纳米发电机的自驱动传感在人工智能方面也有相应的应用。打乒乓球时，球的落点是有规律可循的，这就需要借助大数据了。如何获得大数据呢？利用高速摄像机，把它放到乒乓球桌底下，我们就可以分析一个人的打球习惯。这就是人工智能中大数据的采集。
▲基于摩擦纳米发电机的自驱动传感：智能体育
我们还可以利用自驱动传感判断有效球和无效球。如果乒乓球碰到球桌上沿就是有效球，碰到侧沿上就是无效球，但是有时我们很难用肉眼对其进行判断。
如果把摩擦纳米发电机放在球桌的上沿或者侧沿，就能对这个乒乓球是否有效进行判断，这就是智能体育。此外，跑道以及其他很多东西都可以运用自驱动传感。
自驱动传感还能用于资料的保护和监护。在图书馆中，由于把电池放入书中三个月后就没电了，无法得知谁触碰过某一本书。如果把摩擦纳米发电机放到书本里面后，只要一个动作就能产生微小的功力，即使仅仅是指尖触碰了某一行字，它都会产生一个无线信号，从而使我们获得该书的翻阅信息。
制作摩擦纳米发电机所用的材料非常广泛，包括衣料、塑料、地板、头发、纸张等等。
这就是用纸张做的一个声音触发的助听器，它可以记录声音。这个是我们做的麦克风，它可以把音频变成电子信号后记录下来，同时也可以回放。我们不仅保证没有任何信号处理和其他功耗，还能保证信号90%不失真。此外，还可以进行人机对话，这个机器就能够对人的声音进行识别。这些就是基于摩擦纳米发电机的自驱动传感做的机器人。
▲ 纳米发电机发展技术路线图
纳米发电机有四大应用领域，包括微纳能源、自驱动传感、蓝色能源以及高压电源。我们还提出了从2017年到2027年的纳米发电机发展技术路线图，这就有待年轻人投入这一行，使它发扬光大。
在未来的物联网和传感网络时代，我们需要分布式、移动式、功率小但数目巨大的小电源网。所以新时代能源并不一定是从大电站产生的，它很可能是微纳能源。
▲ 美国公司对于分布式发电机市场的评估
摩擦纳米发电机有多大的市场价值呢？据估计，到2040年摩擦纳米发电机至少有10亿美元的市值，分布式能源到2040年有3500亿美元的市值。
我认为其实这还是低估了摩擦纳米发电机，但至少这个估值证明了人们对这个技术所具有的潜力的认可。我们也希望能够在更大的范围内将纳米发电机发扬光大。
用原创引领未来
那么，纳米发电机的科学原创是什么呢？
现在的发电机是靠电磁来发电，金属棒切割磁力线能够产生电流，这叫传导电流。还有一种电流是1861年麦克斯韦提出的位移电流。麦克斯韦说：“位移电流不是因为电子流动产生的电流，而是因为随时间变化的电场产生的感应电流。”通俗一点说，手机能收到信号就是位移电流的应用，它使我们的生活发生了翻天覆地的变化。
纳米发电机发明后，我们在2017年拓展了麦克斯韦方程组，以适应新时代能源理论，即电磁发电机用的是传导电流，纳米发电机用的是位移电流。
▲ 纳米发电机的科学原创
这就是二者的区别，这个拓展就是我们的原创，位移电流就是纳米发电机的科学根基。
▲ 麦克斯韦位移电流产生的科学，技术和产业
位移电流最早是通过统一电磁场提出的，后来逐渐引出了无线通信、广播、光的理论、电磁感应、激光等等应用。加入纳米发电机的理论基础后，我们就补充了位移电流的相关理论。这些理论还有待在今后的发展中进一步发扬广大。
1831年法拉第提出电磁感应定律时，很多人是不相信的。右图就是法拉第给人们科普的场景，他可能想不到这个定律会对世界产生如此大的影响。
我们今天拥有的美好生活离不开科学家的贡献。一个微小的效应能够产生这么大的社会效应在当时是无法想象的，在这背后蕴藏着数代科学家、工程师上百年的努力。所以原创的发明与社会发展是密切相关的。
在1926年，特斯拉做过一个预言：“当无线技术得到完美的应用时，全世界就可以变成一个巨大的大脑，所有的事件都是其中一个颗粒或部分。不管多长的距离我们都可以在瞬时互相通话交流。同时，我们可以利用电视和电话实时的看见和听到对方，不管多遥远我们就像面对面谈话一样，而实现这些的设备小到可以装在背心的口袋里。”那时，晶体三极管还未发明。
晶体三极管是1947年发明的，集成电路是1956年发明的。特斯拉的伟大科学预言到现在都实现了，这是科学家经过近100年的努力的结果。
下面我想与大家分享一下瑞典的诺贝尔纪念馆中的四大条幅上的名言。
第一个条幅是19世纪的科学家路易斯•阿加西（Louis Agassiz）的语录。他说：“每一个科学真理都要经过三个阶段，首先人们说它和《圣经》相抵触；然后他们说它以前就被发现过；最后，他们说他们一直是坚信该真理的。”
第二个条幅是爱因斯坦的名言：“提出一个问题甚至比解决一个问题更关键，后者有可能是数学或实验技巧。要提出一个新问题和新的可能性，甚至从一个新的角度来看一个老问题，都是需要创作性想象的能力，这才是真正的科学。”
虽然摩擦起电是一个古老的科学现象，但如果我们从新的角度去理解它，就会有新能源的产生。从新的角度看老现象就是一种创造、就是科学。
第三个条幅写的是爱迪生说的：“天才是百分之一的灵感加百分之九十九的汗水。” 其实灵感与汗水不仅是相加的关系，它们更是是乘积关系。只有灵感，不下工夫的话就浪费了这宝贵的灵感；而没有灵感白下苦工的话则将空耗汗水。因此，灵感与汗水都十分重要。
第四句是卡尔·波普尔的名言：“真正使科学前进的是新思想，甚至包括错误的思想。”
我们做纳米发电机的研究已跨过了近20年的时间，虽然期间遇见了很多困难与挑战，但是要相信，“当我们回头看时，这些星星点点都会连成美丽的画卷。”虽然很多困难会使你坚持不下去，但是，“你要相信你那朦胧的直觉与判断，相信自己一定能克服这个困难。”
“当你开始解决一个问题时，第一个解决方案总是非常复杂，绝大部分人到此就停止了。但如果你继续寻找，锲而不舍，层层探索，最后你会提出一个非常巧妙和简单的方法。”这都是史蒂夫·乔布斯的名言。
现在，全世界有56个国家和地区、800多个单位、4700多人在跟随我们做摩擦纳米发电机的研究，这一研究可以说是风靡全球，在这之中，我们国家是原创和领先的。
从一个小的现象可以做出这么大的引领，在这个角度说来，未来的发展需要更多的年轻学生投入到这个研究里去，使它发扬广大。
预测未来不如去创造未来。未来是靠一代一代的年轻人创造的，这就是大力进行科普的必要性所在。科普是为了培养下一代的优秀科学家，这些人才，将是创造未来的后备军。
▲ Maxwell创新科普实验园——让科学不仅仅是梦想
在我们所的曹霞老师几年的努力下，我们做了一个Maxwell创新科普园。在这个创新科普园中，我们利用摩擦纳米发电机的原理做出了一系列原创的科普展品。
我们做这个科普园的目的有两个，第一，要使我们的研究上到书架子；第二，要使我们的研究上到货架子。
科学原理要新才能上书架子。能走入千家万户，惠及老百姓才能上货架子。当然，更重要的是要深入到年轻学生的心中去。这是我们科普园的创建初衷。
我的演讲到此结束，谢谢大家！
为什么你值得加入《大宗商品贸易知识体系46讲·学习营》
从2020年下半年开始的大宗商品上涨，到欧洲战事背景下，能源、谷物等各类大宗商品进一步吃紧，市场价格波动剧烈，少数商品甚至出现极端行情。由此，在新经济、数字经济等耀眼潮流中，本来长期潜在公众关注的视线水平面以下的大宗商品及大宗商品贸易，这几个月来不断成为被世人瞩目和焦虑的热点。今年3月伦敦金属交易所镍逼空事件，几乎引发全网开始学习什么是期货逼空这样的大宗商品交易的专业化概念。
大宗商品显然不是因为宏观环境的巨变而意外闯进人们视野，相反是在动荡的环境中，大宗商品作为经济活动的根本基础的价值在沉重背景下被凸显出来。当人们都在仰望星空，追逐新经济的“诗和远方”时，几乎忽视了脚下大宗商品这等旧经济大地的默默存在。今日这大地竟然意外的伴着战云的怒吼，如巨鲸一样抖动起庞大的身躯，将人们从“元宇宙”、“虚拟世界”的畅想中猛然打断，迎面撞见黑黝黝踏浪而来的油轮和散货船，使人们猛然意识到这相貌粗糙的旧经济元素竟然一日不可或缺，且至关重要。以至有人观察到“标准普尔500指数中，今年表现最好的21只股票，竟均属于能源、化肥或其它大宗商品生产企业”；而与此同时，纳斯达克科技股却创下金融危机以来的最大跌幅，让人冷然感到似乎泡沫要破裂的危险。此消彼长间，人类似乎可能发现，自己并没有如所乐观料想的那样，比之先古已经走出了很远。
本次学习营的主讲老师赵钢是北京金诚同达（上海）律师事务所合伙人 ，拥有大宗商品贸易领域19年工作经验，专注于铁矿石、金属、煤炭、钢材、化工品等大宗商品贸易业务的风险管理及法律事务管理及咨询；曾在央企国企任职多年，负责大宗商品贸易业务法律事务及全面风险管理；担任众多大型贸易企业风控及法律顾问，并持续为行业大型企业、知名专业院校提供国际贸易专题及系列讲座。
反复思量，我们觉得这是一次饱含诚意的邀请。准备良久的课程也希望能让你眼前一亮，并给到你到实实在在的业务帮助。
相较大宗商品贸易行业持续热点的交易投研端知识体系研究，此次课程体系注重大宗商品贸易期现业务本身的综合生态结构、贸易运营管理及交易执行的全流程专业规范，以及贸易生态的底层法律规范，与大宗商品行业投研端知识体系形成有机互补。
课程共陆续更新包括大宗商品贸易知识体系框架、风险管理、法律合规管理、买卖交易、贸易融资结算、贸易物流、衍生品合规、交易纠纷解决、贸易数字化，共9个专业模块，合计46讲的系列视频课程。
本次课程形式采取了【视频课程+社群深度交流+不定期直播】的方式，想让大家利用碎片化时间，每周更高效汲取知识，并且在专属社群内大家可更便捷的进行交流，同时不定期还会有讲师进行直播分享。
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所以，这不是一个看完就结束的线上课程，而是一个大宗商品行业深度的知识经验交流平台和业内人士集聚的大本营，很期待大家的加入，让我们共同携手打开大宗商品贸易深海下的闸门！
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