H因子259，论文引用超28万次！开挂的科学家和他的纳米能源世界

 历史上的今天 2021年6月3日中国工程院产生首批院士，共96人。

王中林，中科院外籍院士，欧洲科学院院士，加拿大工程院外籍院士，现任中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长，科思技术研究院院长，佐治亚理工学院终身校董事讲席教授。国际纳米能源领域著名刊物 《Nano Energy》的创刊主编和现任主编。王院士是2019年爱因斯坦世界科学奖(Albert Einstein World Award of Science)、2018年埃尼奖 (ENI award – The “Nobel prize”for Energy)、2015年汤森路透引文桂冠奖、2014年美国物理学会James C. McGroddy新材料奖、和2011年美国材料学会奖章(MRS Medal)等重要国际大奖得主。

王中林院士是国际公认的纳米科学与技术领域的领军型科学家，是纳米能源研究领域的奠基人。他发明了压电纳米发电机和摩擦纳米发电机，首次提出自驱动系统和蓝色能源的原创大概念，将纳米能源定义为“新时代的能源”；王中林院士开创了压电电子学和压电光电子学两大学科，他提出的原创新物理效应引领了第三代半导体纳米材料的基础研究，使氧化锌纳米结构成为与碳纳米管和硅纳米线同等重要的一类材料研究体系。王中林院士科研成果丰硕，已在国际一流刊物上发表1500多篇论文（其中发表在《Nature》、《Science》及其子刊上的文章50余篇），拥有200项专利、7部专著和20余部主编书籍、会议文集。根据Google Scholar，王中林教授论文引用超28万次，标志影响力的H指数是259，目前在全球材料科学总引用数和H指数排名世界第一; 世界横跨所有领域前10万科学家统一综合排名2019年年度第1名，终身总排名第5名。

下面就让小编带大家一起走进王院士和他的纳米能源世界。

1.寒门逆袭！从农村走向世界的顶尖科学家

前段时间，网上关于"寒门再难出贵子"的说法再度甚嚣尘上。然而，王中林院士则用自己的实际行动打脸所有"唱衰"努力的人。

1961年，王中林院士在陕西蒲城出生了。由于家中贫寒，王中林院士自打记事起，便知道家里的头等大事就是生计！

"知识改变命运"，王中林院士的父亲一直坚持着，宁愿全家勒紧裤腰带过日子，也要让王中林上完学。当然王中林院士也没辜负的殷切期望。从小学到初中，再到高中，王中林院士每次考试都名列前茅。年幼的王中林院士知道家中艰难，所以每次寒暑假他都会主动到田地里帮助家人耕作，初中和高中有三分之一的时间都在田里泡着。

1978年，王中林院士考入西北电讯工程学院（现西安电子科技大学），最初的志愿是学习雷达、计算机，但是由于他的物理成绩优异，学校把他分到了物理专业。

1981年，王中林院士参加了中国物理学生赴美留学考试，由于英语成绩未达标没能通过考试。经过这次考试王中林意识到自己的英语差距，于是开始了为期一年疯狂的英语学习，他运用所有时间去学习英语的听说读写。第二年，王中林院士参加了李政道先生组织的中美联合培养物理类研究生计划（CUSPEA）考试，成为当年西北五省唯一被CUSPEA录取的学生，之后赴美留学。这也是他人生之中重要的转折点之一。

青年王中林

如愿走出国门深造的王中林院士进入亚利桑那州立大学，师从高分辨电子显微学鼻祖---J.W.Cowley教授。

在美留学的王中林院士付出了超出常人数倍的努力进行学术研究，他仅仅用了4年时间就拿到了亚利桑那州立大学的物理学博士学位，这是该专业自成立以来的第一人。博士毕业后，王中林院士没有停下科研的步伐，先后在纽约州立大学石溪分校、英国剑桥大学卡文迪许实验室、美国橡树岭国家实验室和美国国家标准和技术定量局从事研究工作。

1995年，王中林院士被佐治亚理工学院聘为副教授和电子显微镜实验室主任。由于没有专用实验室，他只能白天看文献，晚上蹭别人的实验室进行研究。即使在这样的环境下，王中林院士用三年时间发表了80多篇论文！同时，还著成自己人生的第一本书《电子成像和衍射中的弹性和非弹性散射》，这本书在日后被评为"具有卓越成就的经典之作。"

四年后，王中林院士被佐治亚理工学院提前晋升为正教授，成为该校有史以来第三位提前晋升的正教授。

2000年，佐治亚理工学院创立了纳米科学和技术中心，王中林院士一直担任该中心主任（至2005年）。

2002年，王中林院士当选为欧洲科学院院士。两年后，当选为世界创新基金会院士，并晋升为佐治亚理工学院终身校董事教授，成为校史上最年轻的终身校董教授！

王中林作为董事教授，在佐治亚理工学生毕业典礼上发表演讲

2006年，晋升为佐治亚理工学院工学院杰出讲席教授。

2009年，王中林当选当时最年轻的中国科学院外籍院士。2010年起，他参与组建中国科学院北京纳米能源与系统研究所，并2012年担任所长、首席科学家。在他的带领下，纳米能源所硕果频出，在领域内处于国际研究领头羊地位。

2.做原创性科研！

2.1 引领第三代半导体氧化锌纳米材料， “纳米秤”和“氧化锌纳米带”接连问世

十余年来，王中林持之以恒地进行氧化锌纳米结构的研究，使得氧化锌成为与碳纳米管和硅纳米线外同等重要的一大材料体系。

1999年，王院士在《Science》发文报道了可以称出单个病毒质量的"纳米秤"，又称为"世界上最小的秤"。纳米秤的问世，引起了学术界的广泛关注，被当时美国物理学会评为纳米科技领域的重大进展之一，并且对于生物学界和医学界的发展有着重大帮助。

2001年，王院士在《Science》发表的关于氧化锌纳米带的发现的文章，成为十年来世界在材料领域引用最多的论文之一，单篇引用达7200余次，被国际科学引文机构（ISI）2003年发表的世界纳米科技进展总评中两个重点报道之一。

王中林院士开创了在穿透式电子显微镜中原位测量纳米力学和电学性能的技术，引领了这个领域的发展。

2.2 发明纳米发电机，并首次提出纳米能源技术和自驱动纳米系统技术, 是压电电子学和压电光电子学两个学科的奠基人

2005年的一天，王中林院士指导学生用当时最先进的技术手段测试纳米材料的压电系数。学生做了一个夏天，然而得到的结果却和王中林院士期待的不太一样。到底是哪里出了问题？王院士和学生百思不得其解。于是，一起反复研究，重新计算，最终发现了压电系数异常的“真相”：纳米材料发电。一年后，王院士发明了基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机（Nanogenerators），能够在纳米尺度范围内将机械能转化为电能，是世界上最小的发电机。

纳米发电机原理图

2007年，王院士团队成功首次研发出由超音波驱动的直流纳米发电机；2008年，首次提出“self-power”的概念，并研发出可以利用衣料来实现发电的“发电衣”的原型发电机。该项研究成果完全地实现了自驱动的纳米元件。

2008年，王中林院士在《科学美国人》上首次提出“self-power”的概念

纳米发电机的问世打破了人们对“发电机”尺寸的认识极限，能实现对环境中特别微小机械能的进行收集和利用。例如，空气或水的流动、引擎的转动、机器的运转等引起的各种频率的噪音、人行走时肌肉伸缩或脚对地的踩踏、甚至在人体内由于呼吸、心跳或血液流动带来的体内某处压力的细微变化，都可以带动纳米发电机产生电能。

2.3 压电电子学和压电光电子学两个学科的奠基人

随后，王中林院士设计了纳米尺度上压电和半导体性能的巧妙耦合，首次提出了基于第三代半导体的压电电子学（Piezotronics）的概念，即利用压电效应所产生的电场来调制和控制载流子运动的原理来制造新型的元件，并首次开发出了压电场效应三极管、压电二极体、压电调控的逻辑运算电路。

在传统的场效应电晶体中，外加的电压场效应开关调控了半导体中电流的方向和大小。而在压电电子学这种新型纳米元件中，其开关场则是由通过氧化锌纳米线的机械变形来产生的晶体内部场，它起到了传统金属氧化物半导体(CMOS)元件中门电压的作用，从而可以调控载流子的运动。王院士发明的这种新型纳米压电逻辑元件适用于低频应用领域，同时也可广泛应用于纳米机器人、纳米机电系统、微机电系统与微流体元件中。

这一原创性的发明被国际著名期刊《Nature》和《Science》称为压电电子学效应。

王院士和他的半导体器件

2.4 发明摩擦纳米发电机，阐释其发电理论及其应用领域

摩擦生电是很多人从小就知道的常识，但摩擦只是产生了电压，没有电流，过去人们一直无法利用。

王中林团队研究这个领域也是一次偶然。2011年，王院士的一名学生在测试一款纳米发电机时突然发现其电压高达3-5V，而正常情况下应该显示是1-2 V的电压信号。起初大家以为这是一个误差，因为数值比预想的要高出一个数量级。但王中林觉得这其中应该另有玄机。经过仔细研究，发现是器件中使用到的材料表面比较粗糙，在实验中封装不稳，发生了滑动，造成了摩擦起电。问题找到了解答，按理说，故事到这就应该完结了。但是，王中林心中想的却是：为什么不把这个效应利用起来呢？

经过整整一年的探索，2012年初，王院士带领团队构建了一个全新的纳米器件--“摩擦纳米发电机（TENG）”，并首次提出了基于摩擦起电效应和静电感应效应的“摩擦纳米发电机”原理。当尼龙与聚四氟乙烯薄膜接触时聚四氟乙烯得到电子，当滑移产生时，两者离开接触面的部分需要保持电中性，电子从聚四氟乙烯流向尼龙，这样在外电路产生了向下的电流；当两者相互接触时，已经接触的面保持电中性，之前流动的电子需要流回才能保持电中性，这样在外电路实现了向上的电流。通过简单、巧妙的结构设计，可将古老的摩擦起电效应与静电感性效应耦合，实现机械能向电能的高效转化，可谓是一个具有划时代和颠覆性意义的能源技术。

在这里有个小八卦。摩擦纳米发电机的发明初期，王中林院士团队兴奋地将研究成果写成论文，准备向世界及同行展示这一开创性成果。然而，当时人们对TENG颇为怀疑，文章投到Nature Communication 直接被秒拒，转投Advanced Materials仍旧没逃脱被拒的命运。谁能想到，未来这项工作竟然开创了一个新的领域，全球有近6000名科学家参与该领域的研发。

摩擦纳米发电机的四种工作原理

2014 年，王中林院士和李舟教授领导的研究小组共同研制了一款可植入式自驱动心脏起搏器：无需电池供能，仅从心脏搏动中就能收集足够的能量，确保心脏起搏器工作。这意味着，患者不必再为更换电池失效的起搏器遭受多次手术之苦了。

可植入式自驱动心脏起搏器

2016年，王院士首次从理论上揭示了纳米发电机的物理根源，即根据1861年提出的麦克斯韦位移电流理论。基于麦克斯韦位移电流原理的纳米发电机成功实现了机械能到电能的高效转化，可以方便的存储和驱动小型电子设备。TENG不仅具有出色的电学输出性能，可输出上百伏的电压，而且易于加工成各种尺寸、形状和结构，可方便应用于不同的穿戴式和植入式场景。

2.5 提出颠覆性海洋能采集方式，剑指蓝色能源之梦

虽然给手机等小型设备充个电没问题，但王中林觉得摩擦发电的潜力应该不止于此。他的下一个目标是驾驭海洋——将海浪的能量收集起来，实现人类梦寐以求的“蓝色能源（Blue Energy）”。为此，王中林设计了一款基于摩擦发电原理的球状发电机。这种发电机由一个空心壳层和一个内部球体组成，可以漂浮在海洋上。随着海浪的冲击，壳层与内部球体发生相对位移与摩擦，从而产生电流。如果将成千上万个球体发电机串联成网络，将产生数目极其可观的电能。王中林另一项备受瞩目的研究是海洋蓝色能源技术，被认为“有可能从海浪中获取大量能源以解决世界未来的能源需求。”

蓝色能源梦想是网状联结数以百万计的可捕获低频海波能量的摩擦纳米发电机

“我们将摩擦发电机做成了球形，像网球一般大小。通过球中套球，外层的球在水中随波浪晃来晃去，里边的球也随波动晃来晃去，就会产生发电所需的能量。并且因为它是球体，所以是无规则的，哪个方向都可以。通过发电球积少成多的规模效应，收集波动能量并发电的可能性大大提高了。”

蓝色能源装置及工作原理图

当然，实现“蓝色能源”之梦还有很长的路要走，需要各个学科的科研工作者的通力合作。

虽然初步的构想已经成型，并在小规模的实验中证实了其可行性，但是大规模的工业应用还是面临着很多技术问题，其中的核心就是纳米发电机的持久性。浮动装置及发电机本身的材料在海水及阳光下的老化以及浮动球体内的渗水问题都是阻碍纳米发电机持续工作的障碍。此外，纳米发电机网络的位置对于渔业、航海、人类生活以及海洋生物的影响也是必须考虑的问题。

3 三度获诺贝尔物理学奖提名，荣膺世界能源领域最高奖项“埃尼奖”和爱因斯坦世界科学奖

据悉，被誉为“纳米发电机之父”的王中林院士，迄今已三度获得诺贝尔物理学奖的提名。

2018年获得世界能源领域的最高奖项---埃尼奖（Eni Award）

2018年7月23日，埃尼奖组委会宣布将第十一届埃尼“前沿能源奖”授予王中林院士，以表彰他首次发明纳米发电机、开创自驱动系统与蓝色能源两大原创领域，并把纳米发电机应用于物联网、传感网络、环境保护、人工智能等新时代能源领域所作出的先驱性的重大贡献。

2018年，王中林院士获颁埃尼奖，成为获得该奖的首位华人科学家

埃尼奖（Eni Award）是由意大利国有跨国石油天然气巨头埃尼公司（Ente Nazionale Idrocarbur，简称ENI）于2007年正式设立，是世界能源与环境研究领域最权威的奖项，该奖一向被誉为是世界能源领域的“诺贝尔奖”。埃尼奖评审机构——埃尼奖科学委员会成员由世界上最先进的研究机构的研究人员和科学家组成，成员中现有27名诺贝尔奖得主。埃尼奖旨在通过对科研人员的表彰，鼓励更多学者进一步研究能源与环境问题，传播最新的研究成果，促进能源的高效使用以及创新技术的开发与应用。埃尼奖共设五个奖项，分别是埃尼“前沿能源奖”（Energy Frontiers Prize）、埃尼“能源转化奖”（The Energy Transition Award）、埃尼“环境先进技术奖”（the Advanced Environmental Solutions Award）、埃尼“非洲青年人才奖”（The Young Talent from Africa Award）和埃尼“年度优秀青年学者”（The Young Researcher of the Year Award）。

2019年获得"阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖"

2019年6月14日， “阿尔伯特.爱因斯坦世界科学奖”（Albert Einstein World Award of Science）揭晓，中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、国科大纳米学院院长、美国佐治亚理工学院终身讲席教授王中林斩获这一世界性的大奖，成为首位获此殊荣的华人科学家。该奖项评选委员会评价王中林教授在纳米发电机和自供能系统领域做出了开创性的重大贡献，认为这一领域“将对人类和我们社会的可持续发展产生巨大的利益”，“有望在不久的将来改变世界”。

2019年，王中林院士获阿尔伯特.爱因斯坦世界科学奖，成为首位获此奖项的华人科学家

爱因斯坦世界科学奖是一项著名的世界性科学大奖，以伟大的科学家阿尔伯特.爱因斯坦的名字命名，象征着国际科学界的崇高荣誉。该奖项从1984年开始每年颁发1次，每次获奖人数仅为1人，目的是表彰和鼓励世界科学技术领域的重大研究进展，授予为人类带来福祉的杰出科学家。该奖获奖人由来自50个国家和地区的124位世界著名科学家组成的跨学科委员会选出，委员会成员包括25名诺贝尔奖得主。

王中林院士凭借在微纳能源和自驱动系统领域的开创性成就获得2019年度爱因斯坦世界科学奖。世界科学奖评选委员会对王中林教授的科学成就给予高度评价，认为他在纳米发电机和自供能系统研究方面做出了影响深远的开创性贡献，使人类从环境和生物系统中获取能量这一全新的技术成为现实，并认为这一技术“有潜力彻底改变我们生活的每一个角落”，“有望在不久的将来改变世界”。

评选委员会充分肯定了王中林教授创立的研究领域给世界科技和工业界带来的重大而深远的影响，认为这些发现和突破已经引发世界范围内学术界和工业界对纳米能源与自驱动系统技术的兴趣与努力，这些应用将对人类和我们社会的可持续发展产生巨大的利益，并且认为他发明的海洋蓝色能源技术，“有可能从海浪中获取大量能源以解决世界未来的能源需求”。

授予王中林“埃尼前沿能源奖”和“阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖”，这是对他多年来所开创的基于纳米发电机的纳米能源与自驱动传感领域的最大国际认可，也是对他的研究成果在能源与环境技术应用方面的最高的权威性认定。

4.搞科研，要上书架子，也要上货架子

在一次采访中，王中林院士提到，我们做科研，要么能上书架子（在基础科学上要有成果，在国际顶级刊物上有声音），自己的发明可以写进教科书；要么能上货架子（真正把成果应用到祖国的大地上去），造福于人民。如果两个架子都上，那是最好。

如今，纳米发电机更是从最初输出电压几毫伏发展到输出电压达上千伏，输出功率达每立方米3万瓦。也就是说，一个手掌大小的5毫米厚的纳米发电机可瞬时驱动600个发光二极管同时工作。同时，其自身类型也扩展到压电机、摩擦、热释电、复合纳米发电机等多种类型，其应用更是拓展到安防、人机界面、穿戴式电子产品、野外防火监测、医疗康复、智能书写和语音识别。

纳米发电机的重大应用领域

最初摩擦发电机的输出电流和功率并不理想，后来王中林带领研究团队反复进行试验，终于使摩擦发电机的输出功率产生了质的飞跃，实现了高达 55% 的能量转化效率。这样的能量转化率意味着摩擦发电机已经具备推广使用价值。经过反复研究，王中林的研究团队现在已经研制了包括旋转式直流摩擦发电机、潮汐能收集装置、刹车发电模拟装置等在内的 20 多件摩擦发电装置。

根据王中林院士的构想，我们可以将摩擦发电机安装到鞋子上，在人走动的时候，脚部对鞋底的按压或腿的晃动等动作就会通过摩擦发电机转化成电流，将这些电流收集起来并通过电池进行存储，实现对手机充电。

摩擦纳米发电机的应用演示

目前，王中林院士团队已经孵化了几家公司，比如：

1、利用摩擦电除尘技术孵化的中科纳清公司，防雾霾口罩、空气净化器、室内新风系统等均开始投向市场，初步受到市场的认可。特别是新风系统已于近日正式量产，一些大型央企的总部开始采购该所孵化企业的新风系统产品。目前，这个公司市值已经达到了数亿元。

2、基于纳米发电机的自驱动智能鞋和实时足压监测鞋垫，已经通过中试；

3、测血压信号的技术，涉及疾病的诊断和康复检测；

4、智能键盘，目前产品已经开发出来；

5、机器人智能手等；

可以预见，未来几年在纳米发电技术的带动下，智能鞋以及其他可穿戴智能设备将飞速发展，迎来一个自驱动的新时代，应用范围将涵盖大健康监测、康复理疗等等方面，最终实现高新科学技术回馈社会，回馈人民。

来源：高分子科学前沿

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