中国科学院外籍院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所创始所长和首席科学家王中林获得国际大奖了！
7月23日，埃尼奖组委会在意大利罗马正式宣布：根据科学委员会最终评选结果，决定将第十一届埃尼“前沿能源奖”（Energy Frontiers Prize）授予王中林院士，奖金为20万欧元（折合人民币153万元），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做出的先驱性的重大贡献。
埃尼奖（Eni Award）由意大利跨国石油天然气巨头埃尼公司于2007年正式设立，是世界能源领域最权威、最负盛名的奖项，被誉为世界能源领域的“诺贝尔奖”，与计算机界图灵奖、数学界的菲尔兹奖及沃尔夫奖等并称为领域性的最高奖项。埃尼奖每项奖金为20万欧元。
◆◆◆
获得该奖项的第一位华人科学家
王中林院士是迄今为止获得埃尼奖的第一位华人科学家，也是在中国境内现职工作期间获此重大国际性奖项的第一位科学家。
王中林还是欧洲科学院院士、中国科学院大学纳米科学与技术学院院长，美国佐治亚理工学院终身教授。
北京科技报︱科学加客户端记者最新了解到，埃尼奖颁奖仪式将于今年10月22日在罗马市的奎里纳尔宫（Palazzo del Quirinale）举行。
本届埃尼奖还评选出其他四个奖项的获奖人，分别是美国伯克利大学的Omar M. Yaghi获得埃尼“能源转化奖”，韩国先进科技学院的Sang Yup Lee获得埃尼“环境先进技术奖”，来自刚果和南非的2名学者获得埃尼“非洲青年人才奖”，来自意大利的2名年轻学者获得埃尼“年度优秀青年学者”。
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，目前位居全球纳米领域H指数及影响力第1名。他首次发明了纳米发电机和自驱动纳米系统技术，被誉为“纳米发电机之父”。他是压电电子学和压电光电子学两大学科的奠基人，发明了压电纳米发电机和摩擦纳米发电机，首次提出并发展了自驱动系统，首先提出蓝色能源等大原创概念，并将纳米能源推广为“新时代的能源——即物联网、传感网络、大数据时代的分布式移动式能源”。这一应用于物联网、传感网络和大数据时代的新能源技术，将开启人类能源模式新篇章，为微纳电子系统发展和物联网、传感网络实现能源自给和自驱动提供了新途径。
这些年，王中林领导下的中科院北京纳米能源与系统研究所因拥有原创的理论、原创的学科、原创的技术，成为世界纳米能源与自驱动系统研究领域的领头羊。
业界认为，授予王中林埃尼前沿能源奖。这是对王教授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肯定。
下面我们就来了解一下王中林和纳米能源研究的故事吧！
◆◆◆
北京成为他实现梦想的舞台
近些年，纳米发电技术是一个颇为振奋人心的领域，这也是北京中关村战略性布局的一个领域。他的领头人就是中国科学院北京纳米能源与系统研究所（以后简称“北京纳米能源所”）所长、首席科学家王中林，他是 2012 年度中科院和北京市迎来的 “千人计划”顶尖人才之一，他所在的研究所就是在中国科学院和北京市的支持下专门打造出来的，这里成了他成就新梦想的广阔舞台。
王中林也有了一个能够实现产业化的舞台。在北京市怀柔区雁栖经济开发区的北京纳米科技产业园里，有一块占地 83.55 亩的地方，这就是中科院纳米能源所产业园区所在地，不久以后，王中林的很多梦想将在这里变成现实。
在王中林的主导下，北京纳米能源所将贯穿从基础研究到相关核心技术集 成，再到战略性新兴产业发展一条龙的建所理念，全力推动纳米发电机发电 技术的研究和应用推进。
美国科学院院士、哈佛大学化学系教授查尔斯·利伯（Charles M. Lieber）高度评价了王中林关于纳米发电机的研究工作。这些年来世界上许多研究组都在发明各种各样的纳米器件，但供电问题一直没有解决。
“该工作提出了解决纳米技术中一个极其要害问题的方案。”利伯说。
利伯是国际纳米界的顶尖科学家。上个世纪末在纳米初兴之时，当大家 还在电镜下搜寻纳米颗粒的时候，他已经向大家展示了纳米艺术的一面 ；而 当大家还在为一张漂亮纳米材料的形貌照片沾沾自喜的时候，他早已经向更 深入的层次研究纳米世界了。
利伯也是被国际学术界公认的纳米科技领域的开创者之一。
2002年，《福布斯》杂志评出了当今世界 15 位最伟大的发明家，利伯就是其中之一。他的评价足以看出王中林这项发明的重要意义。
在科学研究中，在一个领域往往只要取得最为艰难的起初突破，后面的进展就会一发不可收拾，有的进展甚至是突破性的，王中林也是如此。
◆◆◆
女儿干脆叫他“纳米爸爸”
上世纪 90 年代，王中林已经成为了国际纳米科学界的著名科学家。1998年，首次在透射电子显微镜中实现单个碳纳米管力学性能的测试，并提出了当时最灵敏的纳米秤，从而开辟了纳米材料原位 测量的领域。 整日沉浸在纳米材料这种微观的世界中，王中林的整个思维也始终在这 个世界里缠绕，有时在吃饭、走路的时候，他的思维依旧在这个世界里飞翔 跳跃，女儿甚至干脆叫他“纳米爸爸”。
1999年，已经多年专注研究纳米材料的王中林敏锐认识到，氧化锌以其独特的半导体、光学和生物特性具有其他纳米材料不可替代的作用。于是 他带领科研小组，一直致力于氧化锌为基础的纳米材料的合成和应用的研究。 2001年，王中林和同事们在世界上首次成功地利用金属氧化物合成了 10~15 纳米厚、30~300 纳米宽的带状结构，这也就是俗称的“纳米带”。
“纳米带”具有很好的导电性和敏感性，可以应用于微、纳米机电系统， 而且制作成本不高，在纳米级传感和敏感器以及光电器件的制作方面有很好 的应用前景，是实现纳米尺度上机电耦合的关键材料。国际科学界很多纳米 科学家认为，王中林对“纳米带”的发现与合成是继 1991 年发现多壁碳纳 米管和 1993 年合成单壁碳纳米管之后纳米材料合成领域的又一重大突破。
王中林团队发现氧化锌纳米带结构，引领了国际氧化物一维纳米结构研究，为纳米级传感和敏感器件及光电器件的研发打下基础。 突破还在持续。2004 年他们发现氧化锌纳米环结构 ；2005 年又发现氧 化锌超晶格纳米螺旋结构。
众多基础性研究的积累之后，王中林思考的问题是，纳米器件的研究和 技术应用在不断发展，未来会被广泛应用的纳米机器人也会如此，但是该如何解决他们的供电问题呢？
也正是在这样的思考过程中，王中林和他的研究团队在 2006 年终于取 得了革命性的突破——发掘出了纳米发电机这个全新的领域。
随后，王中林又开始从更为广阔的收集能源的角度来考虑纳米发电机的发明和应用。
从 2006 年开始，在不到 10 年的时间里，王中林团队先后发明了压电式纳米发电机，混合型纳米发电机和摩擦纳米发电机等多种类型的纳米发电机， 机械能、风能、水能、热能等多种能量形式都被他们巧妙地利用纳米科技转 化成了电能。 王中林开始了纳米发电机的时代，随后，国际其他一些研究机构和科学 家也都投身到这个领域进行研究，而这个领域美好的应用前景正在一步步向我们走近。
◆◆◆
新型晶体管几乎“通人性”
2006 年，王中林还首次提出压电电子学效应，这种效应是利用外加 压力让材料内部产生电场，从而控制电子的流动。正是基于此效应，新型压 电电子学晶体管阵列 2013 年得以研制成功并发表在《科学》杂志上 。 在实验室中，研究人员利用垂直生长的氧化锌纳米线首次制成了压电电 子学晶体管阵列并封装成芯片。这种新型芯片由 8464 个压电电子学晶体管 单元构成，除了有“感触能力”外，它柔软、透明，同时晶体管单元密度比 同类传感装置提高了 300 到 1000 倍。 他们的这项研究是一种完全不同的研制思路。传统晶体管通过外部电压 控制电流输运过程，从而实现逻辑运算，而压电电子学晶体管则通过压力产 生内部电压完成信号控制。
“传统晶体管像是一条河，上游和下游是其中两个极，为控制河流流量， 就要通过外加电压来控制河的宽度。而新型晶体管则类似于在河流末端设置 ‘闸门’，通过外力产生的压电电场控制‘闸门’的高度，进而控制河流流量。” 王中林对他们的这项研究进行了形象的解释。也正是因为如此，新型晶体管 几乎“通人性”，人的任何一举一动，都能转化为它的控制信号。例如采用新型晶体管制成的机械手，其工作方式与人手触觉神经几乎相同，可实现智 能探测和传感，掌握用力分寸。
近些年，在全球范围内，基于人机接口或者脑机接口的人工智能有不少科学家团队在攻关，尽管人工智能技术随着计算机技术的发展进展迅速， 但是由于人工智能精确控制的复杂性，机械手臂的变现一般都比较笨拙， 只能完成一些极为简单的抓取或者其他指令性动作，实施精确控制还有较高的难度。
王中林团队的这项研究则为人工智能的进展提供了一个更高层次的平台，未来这项技术在人工智能领域得到应用以后，不仅会推动我国人工智能 的高水平发展，也会给众多的残障人士带来福音。
王中林说，新型晶体管距商业化尚存距离，其主要挑战包括与其他系统的集成和优化等，但未来可应用在制造智能皮肤、人造组织和“可透视”电 子产品等领域。 这项研究就像第一次造出晶体管、第一次制成集成电路一样，这是一个 新生的婴儿，刚刚走出了第一步。
◆◆◆
为心脏起搏器提供自驱动能源系统
随着现代医学的发展，这些年在世界范围内植入式电子医疗设备正变得越来越普及，它们或用于治疗单靠药物无法解决的病症，或实时检测血糖、 心率等健康指标。其中应用最广泛的设备当属心脏起搏器，已经被植入大约 400 万名病人体内，利用电流刺激保证他们的心脏能够正常跳动。
不过电池一直是心脏起搏器等植入式医疗设备的阻碍，每当电力耗尽， 病人都需要再次躺到手术台上，开刀更换电池。
为了一劳永逸地解决电池问题，研究人员开始将视线转移到人体本身。 纳米能源领域未来也许就会发挥重要作用。
对每个人而言，人的心脏和肠胃总在不停运动，而运动便会产生能量， 例如成年人心脏跳动所产生的机械能量输出可以高达 1.3 瓦，问题在于如何 用一个轻巧而安全的设备有效获取这些能量。
2010年，王中林和博士生李舟首次实现了利用纳米发电机回收心脏跳动所产生的电能。 2014年，美国伊利诺伊大学的材料与工程学专家约翰·罗杰斯等研究 人员使用了一种由压电材料制成的纳米带，该材料由大量纳米尺寸的晶状颗粒构成，在被弯曲或受到挤压时产生电力。研究人员将该纳米带贴在柔软的硅胶片上，硅胶片可以随意弯曲，因而不会干扰器官的正常运动。另外硅胶片上贴着一个微小的整流器，能够将纳米带获得的交流电转成直流电保存在电池里，并且整个设备尺寸也要比常见心脏起搏器小得多。
为了确保材料在生物体内完全无毒无害，研究人员首先在该纳米带上培养老鼠的肌肉细胞。完成老鼠实验后，研究人员将纳米带安装在活着的羊和 牛的心脏上发电，以观察新设备是否会对器官正常运动产生影响。实验发现， 该实验设备被弯曲超过 2000 万次以后，依然能够正常发电。这是体内发电 设备首次在与人类体形相当的生物上进行实验。 在该实验中，每平方厘米的纳米带可以产生 0.2 毫瓦电力，并且可以 3 至 5 层叠在一起成倍增加发电量，其供电能力已经可以支持常用心脏起搏器 的工作。而该项目实验的终极目标是彻底替换植入式设备的电池，另外就算只是延长电池的使用时间，也会非常实用。
同在2014 年，王中林和李舟领导的研究小组共同研制了可植入式的自驱动能源系统，该系统包括可植入摩擦纳米发电机和能量转化存储装置两部分，其摩擦纳米发电机的尺寸仅为12 mm×12 mm×0.7mm，而后研究团队 将制作的自驱动能源系统植入大鼠体内，成功收集并转化大鼠多个呼吸运动 部位所产生的能量，将其以电能的形式储存起来，并能够驱动一个外接的心 脏起搏器原型机工作，产生与医用心脏起搏器一样的电脉冲。
根据理论计算 , 大鼠每呼吸 5 次，通过可植入摩擦纳米发电机收集的能量即可成功驱动心脏起搏器工作 1 次。如果用到人体，仅通过呼吸就能够连续驱动心脏起搏器， 使其正常工作。 这种基于生物体自身能量在体转化的供能系统将极大地改善现有电池 供能的弊端，延长植入式医疗器件的使用寿命 , 在植入式医疗领域中具有极 大的应用前景。随着植入式自驱动能源系统的进一步优化和完善，在未来将 有望真正实现“生命不息 , 供能不止”，为广大重症患者带来福音。
◆◆◆
摩擦发电具有广阔应用空间
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。 在相当长的时间里，王中林都一直在做材料研发，在一次失败的试验中， 他和他的研究人员偶然发现，两种高分子材料相接触的过程中可以产生电， 于是他和研究团队对这个全新的领域进行了研究。 在深入的研究中，他们了解到了其中产生电流的奥秘，并在 2012 年研 究出了摩擦发电机以及自驱动传感器。
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。
经过反复的研究，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。而它的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源， 也可以是人的行走、手的触摸、下落的雨滴等很少被人们注意过的随机能源， 甚至车轮的转动、机器的轰鸣等也可以转化为电力。
王中林说，摩擦发电装置结构简单、轻巧，基本元件也都是微米级厚度的薄膜材料，在未来可以被应用于可穿戴设备、便携设备的充电等。
此外，摩擦发电装置还可被用于终端传感设备，实现传感设备自给自足。 这几年，物联网发展迅速，无线远程监测或者探测的方式已经被广泛应 用到了各个领域，但是由于探测器或者监测器必须要提供外来的电源，让其布置受到很大的限制。 但是有了纳米发电机以后，物联网的前端就可以截然不同：纳米发电机 安在监测器或者探测器上，就不需要另外给它们提供电源了，它们就可以布局到更为广阔的空间，树上、山岩上、草丛中、水体中或者土壤中……完全 可以根据需要进行位置和数量的布局，这将极大地促进物联网应用的发展。
我们也可以把刹车发电装置应用到汽车上，这时候产生的电能可 以提供给车内使用。由于刹车时产生的摩擦力更大，也可以提供给汽车尾灯 使用，这将显著降低汽车的油耗水平。 我们甚至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。
在王中林看来，未来推广摩擦发电具有很大的优势。 首先，摩擦发电机由薄膜高分子材料和薄膜电极材料制成，具有极轻的 重量和极小的体积，其能量密度较高。因此，它特别适合于为便携式及穿戴 式电子设备或无线传感阵列等小型电器提供电能。
其次，摩擦发电机的制作材料均为大规模工业化原料，加之其结构简单， 制作成型简便，使其制作成本降低，为广泛应用提供了极为有利的条件。 不仅如此，摩擦发电机还具有大规模收集和转化自然界中机械能的潜 力，有望成为绿色能源供给的全新途径。
◆◆◆
推动北京纳米能源所成为世界一流科研机构
这些年，在王中林的协调下，北京纳米能源所和美国佐治亚理工学院在纳米研究领域进行了深入和广泛的合作。
与此同时，王中林也在积极推动他在美国的学生回国发展，仅仅从王中林美国实验室回国的博士、博士后和访问学者等就达到百位左右。 这些研究人员回到国内以后，又迅速带上新的研究队伍前进。他们每个人都带着 5~10 人左右的研究团队，从而让北京纳米能源所的研究能力迅速上升。
事实上也是如此，在王中林所研究的领域，国内的研究水平也迅速走向了国际前沿的位置。王中林表示，在这些年的发展中，北京纳米能源所创立了压电电子学和压电光电子学两大学科，发明了纳米发电机和自驱动系统的原创技术，首次提出了“新时代”能源的概念，在本领域已经处于国际引领的地位。
2018年5月17日，中国科学院与北京市人民政府共建中国科学院北京纳米能源与系统研究所/北京纳米能源与系统研究所推进会在北京召开。院市双方签定了《共建纳米能源所协议书》。
根据计划，2018年底，北京纳米能源所整体搬迁到怀柔科学城，成为中科院与北京市在怀柔科学城共建的第一个整建制入驻的科研机构。
现在，建设成为世界一流的以微纳能源和系统为主的科研机构，成了北京纳米能源所的新目标，这也是王中林的梦想。
出品：科普中央厨房
监制：北京科技报 | 科学加客户端
欢迎朋友圈转发
请发邮件至[email protected]
阅读更多权威有用的科普文章、了解更多精彩科技活动，请下载“科学加”客户端。苹果用户可以在App store搜索“科学加”下载安装，安卓用户可以在应用宝、３６０手机助手、豌豆荚、华为、小米等应用市场搜索“科学加”下载安装。
閱讀更多 科學加 的文章
