摩擦起电这一现象，想必很多人都听说过，初中物理电学部分的第一课学习的就是摩擦起电，在干燥环境下由于摩擦而造成的静电也常常让人头疼不已。既然生活中摩擦无处不在，那么如何让这个令人厌烦的情况变成人见人爱的“正能量”？就成为了科研人员研究和探索的方向。 

　　其中，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林把摩擦起电和纳米能源相结合，进而研发出来的摩擦纳米发电机，在当时引起了人们的广泛关注。 

　　在我们大家的印象中，发电机一般是汽轮机、水轮机、风力发电机这样的大型机器，它们大部分是电磁感应发电机，原理也很简单，在中学物理课本上，就学习过磁铁穿过线圈可以产生电流。这一知识的发现还要追溯到1831年，英国科学家法拉第首先提出了电磁感应原理，并便利用这一原理发明出了电磁发电机，利用动力发电。可以说，这是把水力、风力、火力、核能变成电能最根本的技术。 

　　听过传统发电机的电磁感应原理之后，我们想要把发电机和纳米这两个概念联系在一起，就更加困难了。但在科研人员眼中，只要注意细节，认真研究，就会有不一样的发现，其中发现摩擦纳米发电技术就有这样一个故事。 

　　2006年，王中林开始微纳能源技术研究，当时他曾经想把心跳、身体的动作等都转化成电能，并且想要通过压电效应来达到这个目的。 

　　压电效应，指的是某些电介质在沿一定方向上受到了外力的作用，形状发生变化时，它的内部就会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上会出现正负相反的电荷。当这个外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；反之，当在电介质的极化方向上增加一个电场，那么这些电介质就会在电场的作用下，形状发生改变。当电场去掉后，电介质的变形也会随之消失，这种现象被称为逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器，像我们生活中常见的一次性塑料打火机，就有相当一部分是根据压电效应制作的压电陶瓷器件来进行打火的。 

　　在提出压电效应这个想法后，王中林科研团队立刻投身其中，进行钻研，结果在2008年做实验的时候，偶然得到了比想象中高得多的电能输出，当时有人猜测可能是人为因素或者是实验差错，也就没有太注意。直到2011年，他们在实验中再次发现这个现象，不禁引发了科研团队的好奇心，他们好奇的是为什么这些样品偶尔输出的电压会是平时做实验的3到5倍？对于科研人员来说，既然碰见了这样的特殊效应，那么就要把事情研究清楚。于是他们便开始进行仔细研究、分析这些样品，经过几个月的分析发现，这些电能竟然是由常见的摩擦效应产生的。 

　　更令人没有想到的是，这个偶然发现的现象非常地重要，引发了全世界研究的浪潮。也就是从那时起，他们就一直进行着摩擦纳米发电技术的研究，并只用了一年半左右的时间，就使实验样品的输出功率提高了五个数量级，而且使用的材料是完全透明的。 

　　不过，科研团队完成到这一步，只是证明了这个理念是可行的。接下来他们还需要计算输出电能的效率，简单来说，就是计算有多少摩擦能量可以转化为电能。最终，通过实验他们发现获得的机械能转化效率是55%，总转化功率更是达到了85%，这可以说是非常惊人的。 

　　其实，摩擦发电机主要利用了摩擦起电和静电感应这两个原理。 

　　摩擦起电的实质是电子的转移，任何两个物体摩擦时,电子由一个物体转移到另一个物体,得到电子的物体带负电，失去电子的物体带正电；而静电感应则是在外电场作用下，使导体中的电荷重新分布的现象。简单来说，就是带电物体与不带电导体相互靠近时，由于电荷间的相互作用，会使导体内部的电荷重新分布，异种电荷被吸引到带电体附近，而同种电荷被排斥到远离带电体的导体另一端。 

　　由于摩擦起电的电压高，电流小，而功率的计算公式是用电压乘以电流，所以如果有电压、没电流的话，就不会有功率出现，也就是说，不管哪一个为零，结果都是零。所以摩擦发电机的关键就在于，想要提高功率，就要提高电流输出。 

　　对于这一情况，他们首先做出了接触分离式的摩擦纳米发电机。这个发电机的设计理念并不是很复杂，只需要给两种材料接上外电路，再拉开、合上这两种材料就行了。当两种材料相互接触时，电子就会转移，这是摩擦起电；如果把两种材料拉开一个小距离，材料两端的电极层就会产生电位差，这是静电感应，为了屏蔽这个电位差，电子需要从外电路流动，进而产生电流。因此，通过两种材料不断地拉开再合上，合上再拉开，就可以产生交变电流信号了。 

　　根据这一原理，王中林研究团队做出了四种模式的摩擦发电机，它们分别是接触分离式、滑动式、单电极式、自由浮动式，可以用于收集拍击、震动、滑动、浮动等各种形式的微小机械能。摩擦起电和静电感应效应的相互结合，让摩擦发电机成为了可能，而纳米技术的加入，更像是画龙点睛一样，让电流真正实现了有效输出。 

　　自从摩擦纳米发电机出现以来，全世界的学者从各个方面对它进行了广泛的研究。通常情况下，摩擦纳米发电机工作在大气压环境下，因此这里大部分电荷密度通过空气击穿释放掉了，但如果将这部分空气击穿的能量收集起来，不仅可以提高摩擦纳米发电机的输出性能，而且也是对摩擦纳米发电机的重新认识，对于更好地理解和利用摩擦纳米发电技术具有重要意义。 

　　在2019年4月5号，王中林等人在《科学进展》发表了一篇论文，报道了一种以摩擦起电和介质击穿为基础而研制出的新一代摩擦纳米发电机，首次实现了恒流电输出的目标。同时，这一新颖的直流摩擦纳米发电机已经被证实可以直接驱动电子器件不需要外接整流桥或能量存储单元。研究结果不仅有利于推动用于可穿戴电子和物联网系统的自驱动系统小型化，而且为高效收集机械能提供了新的范例。 

　　值得一提的是，摩擦纳米发电机在刚研发成功之后，就有人提出，如果把摩擦纳米发电机放到海洋中，是不是可以收集更多的能量呢？ 

　　要知道，海洋中的潮汐能是一种潜力巨大的新能源。海洋面积占全球总面积的71%，海浪的运动模式又非常多样，像海水流动、海波起伏、海浪拍打、海浪涨落等等都会产生相应的摩擦。如果采用传统发电方式的电磁感应发电机，会因为结构复杂，装置沉重等因素，导致只有海流可以带动转子发电，也就是说只能收集海流的能量，其他海浪的运动能量就都浪费了。 

　　但是，如果使用结构简单轻巧的摩擦纳米发电机，就可以把发电单元做成乒乓球大小并漂浮在水中，这样一来，海浪运动的能量基本上可以全部收集起来。甚至有专家估测，把这些发电单元结成网放到5米深的海水里，表面1平方公里的海面就能产生兆瓦级的电能，可以实现大规模的能源供给。 

　　像这样的例子还有很多，生活中同样少不了摩擦和震动，从心脏起搏到击打键盘，从海浪起伏到交通运输，都是摩擦纳米发电机的适用范围。过去，这些能量全部浪费了。未来，摩擦纳米发电机可以替我们把它们收集起来，让我们拥有无处不在的微能源。 

　　团结就是力量，当这些微小能源被集中起来时，摩擦发电就有望从微小能源领域跻身到大规模应用的绿色新能源之列。