物质科学
Physical science
陆地上现有的大部分风力都过于柔和，无法推动商业风力涡轮机的叶片，但现在，中国研究人员重庆大学牟笑静教授团队、中国科学院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员研究团队和同济大学张晓青研究团队合作设计了一种“微型风力涡轮机”，它可以从极小的微风中收集风能，这种微风的风力与步行产生的风力差不多。9月23日发表在Cell Reports Physical Science上的这种方法是一种低成本、高效率的收集微风作为微能源的方法。
论文通讯作者之一、重庆大学牟笑静教授说"从技术上讲，这个新装置并不是涡轮机。它是一种纳米发电机，由一根管内的两条塑料条组成，当有气流时，这些塑料条会颤动或拍击在一起。就像在头发上摩擦气球一样，这两条塑料在分离后会带电，这种现象被称为摩擦电效应。但是，这两条塑料条产生的电能被捕获并储存起来，而不是让你的头发像爱因斯坦那样直立起来。"
牟笑静教授说"1.6米/秒的微风就足以为设计的摩擦电纳米发电机提供动力。当风速在4~8米/秒之间时，纳米发电机的性能最佳，这一速度使两条塑料带能够同步摆动。该装置的风能转换效率高达3.23%，这一数值超过了之前报道的风能采集性能。目前，该设备可以为100个LED灯和温度传感器供电。"
“我们的目的不是要取代现有的风力发电技术，而是解决传统风力涡轮机无法解决的问题。”杨亚研究员说，“风力涡轮机使用线圈和磁铁，成本是固定的，而我们可以为新设备挑选低成本的材料。我们的设备也可以安全地应用于自然保护区或城市环境中，因为它没有旋转结构。” “你可以收集日常生活中所有的微风。”论文通讯作者之一、中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所杨亚研究员说，“我们已经实现了把纳米发电机放在一个人的手臂上，摆动的手臂产生的气流就足以产生电力。”
杨亚研究员说，他对这个项目的下一步计划有两种设想：一种是小的，一种是大的。设计了一个硬币大小的纳米发电机，但他想让它更小、更紧凑、效率更高。在未来，杨亚研究员希望将该设备与小型电子设备，如手机结合起来，以提供可持续的电力。同时, 也在寻求让设备更大、更强。他说：“我希望将该设备的生产规模扩大到1000瓦，这样它就能与传统的风力涡轮机竞争。我们可以把这些设备放在传统风力涡轮机无法到达的地方，可以把它放在人口密集区的建筑物的顶部，放在高铁铁轨两边收集高铁通过产生的风能，以获得可持续能源。”
作者专访
特别邀请杨亚研究员进行了专访
请他们为大家进一步详细解读。
记者：
您是如何想到通过收集微风作为微能源的方法的？
杨亚研究员：
第一篇收集微风发电的论文是我在美国佐治亚理工学院王中林院士团队做博士后期间完成的，当时的想法主要是想利用最新的摩擦纳米发电机来实现在风能方面的能量转换，2014年我回国后专注于摩擦电纳米发电机在风能方面的收集，包括研究器件的材料、结构和流固耦合等机制，实现了优化的用于收集风能的高性能纳米发电机。
记者：
研究过程中，是否遇到了技术难题？又是如何攻克的？
杨亚研究员：
遇到了很多的技术难题，比如电源管理问题，摩擦纳米发电机收集风能产生非常高的电压和低的交变电流，如何实现对产生的电源进行调制，实现低的电压和大的直流，对直接驱动后端的传感器非常重要。通过变压和电源管理模块的设计，解决了这个问题，并获得了1-5 V之间可以调节的直流电压和mA级的电流。
记者：
如果把这种设备的生产规模扩大到1000瓦，您认为可能需要解决的困难有哪些？
杨亚研究员：
首先是稳定性和寿命，需要设计出能够几年正常运行的发电机系统，这需要从材料方面入手，选择耐磨而且具有高性能的材料。第二个是电源管理模块问题，大量的发电机集成需要设计统一的电源管理模块，实现发电机系统的大规模生产。第三个是噪音问题，如何解决大量发电机同时工作时产生的噪音也会是未来需要解决的困难之一。
记者：
我们知道杨亚老师在纳米力电/热电/光电转换化技术、复合纳米能源、大规模阵列式自驱动传感器系统、纳米能源存储与应用技术等方面有诸多建树，是否可以请杨亚老师就如何进行选题并开展科研工作、解决学术问题，为青年学生提出您的宝贵建议。
杨亚研究员：
具体课题选题之前一定要进行详细的调研，弄清楚现在最新的国际前沿和发展，课题选择一定要具有创新性，在前人的基础上有突破。当遇到学术问题的时候，需要大胆设想，仔细严谨求证。需要敢于直面问题，而不是放弃。
论文作者团队介绍
牟笑静
教授
牟笑静，现任重庆大学光电工程学院新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室常务副主任，教授/博导，第三批重庆市学术技术带头人。他获得重庆市“百名海外高层次人才聚集计划”、重庆大学“百名青年优秀人才引进计划”、 2014年获得新加坡杰出工程成就奖(IES Prestigious Engineering Achievement Awards 2014)，2015年获得新加坡科技局航空项目成就奖，2017年获得中国产学研合作创新奖，2018年获得“科学中国人 2017 年度人物杰出青年科学家”称号，2019 年获得重庆市十佳科技青年奖和中国产学研合作成果奖。
杨亚
研究员
杨亚，中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员，博士生导师，微纳能源与传感实验室负责人。在微纳能源与传感研究方面，取得了具有国际重要影响力的原创性和开创性研究成果。以构建高性能多效应耦合纳米发电机和高精度自供电传感器阵列为目标，从铁电材料的设计和可控制备出发，探索力-热-光耦合效应对纳米发电机的调制机理，在新型复合与耦合纳米发电机的设计和集成、基于复合与耦合纳米发电机的自驱动多功能传感器、柔性大规模传感阵列系统等领域取得了重要进展。在国际SCI杂志Science Advances（Science子刊）、Energy & Environmental Science、Advanced Materials和Advanced Energy Materials等发表学术论文170余篇。研究结果被各类著名国际学术期刊或媒体如Nature Photonics、ScienceDaily、Phys.org、Nanotechweb.org等作为亮点报道。论文被引用总数10000余次，H指数为60 (Researcher ID的数据)。已授权美国专利1项，申请和授权的中国专利40余项。获2018年国家自然科学二等奖和2010年北京市科学技术一等奖[第四完成人]，博士论文被评为2013年全国百篇优秀博士学位论文。获2018年度国瓷新材料奖。担任国际学术会议分会主席5次，Nano-Micro Letters、iScience、Scientific Reports、Nanomaterials和Energies杂志编委委员，被邀请做过50多次学术演讲或邀请报告。主持或承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中科院国际合作交流项目等10余项基金课题。
张晓青
教授
张晓青，教授，2001年毕业于同济大学物理系凝聚态物理专业，获理学博士学位，2001年4月至2004年12月赴德国达姆斯塔特工业大学Gerhard M. Sessler教授的课题组进行博士后研究，2005年3月起在同济大学物理科学与工程学院工作，并负责驻极体及功能电介质课题组的科研工作。2007年成功入选上海市青年科技启明星计划，2010和2013年两度入选同济大学青年英才计划。主持完成国家自然科学基金项目2项、上海市自然科学基金项目1项、上海市青年科技启明星项目1项、教育部留学回国人员科研启动基金项目1项、同济大学-青浦科研合作计划2项、横向课题2项；目前正在主持国家自然科学基金项目2项，横向课题1项；向企业转让发明专利和功能膜制备技术各1项；共发表学术论文百余篇，获国家专利12项。2015年张晓青教授受邀撰写英文著作《Electroactive Polymers》（作者由多国著名科学家组成）中的压电驻极体部分，目前担任本领域最重要国际会议“International Symposium on Electrets”学术委员会的国际科学顾问，并多次在该系列会议上担任分会主席。
