想象一下這樣一種場景：在下雨天，你撐起一把傘。雨傘不止為你擋住了雨滴，還順帶把雨滴裡的一部分能量收集了起來，變成了電能！
這不是天方夜譚，而是很可能會發生的事實。由香港城市大學王鑽開教授、美國內布拉斯加大學林肯分校曾曉成教授和中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士合作領導的研究團隊，日前在《自然》雜誌上發表了一篇文章，引起了國內外媒體的廣泛關注。他們發明了一種全新概念的水滴發電機（Droplet-based Electricity Generator, DEG），只需要一滴水，就能點亮 100 盞 LED 燈，效率比常規的水滴發電機高出了幾個數量級。其廣闊應用前景更是超越了水滴的範疇：小到納米結構，大到驚濤拍岸，都可以利用這種全新的原理進行發電。
為此，DeepTech 採訪到了這篇文章的通訊作者、香港城市大學機械工程學系的王鑽開教授。他向我們詳細介紹了這個發明的“美妙之處”。
水滴發電機可以點亮 LED 燈（來源：Xu et al., 2020）
為了應對日益變暖的全球氣候，我們需要越來越多的清潔電能。儘管生活中各種能量無處不在，但能拿來發電的卻並不多。例如，澎湃洶湧的江水，可以利用水壩上下巨大的重力勢能差發電；但總水量也許並不會差很多的綿綿細雨，卻由於每個水滴蘊含的能量都太小，很難轉化為電能。
水匯成大河可以發電，那麼雨滴也可以嗎？（來源：Wikipedia，Flickr）
不過，一項新的技術，正在把水滴發電變成可能。
在小學自然課上，我們就學過，如果兩個物體相互摩擦，就會產生靜電。例如，在北方乾燥的冬季，脫毛衣的時候總免不了一陣劈里啪啦的靜電“火花”。
與之類似，下雨的時候，雨滴滑過固體的表面，也會產生靜電。那麼，既然靜電這麼容易產生，能用來發電嗎？
答案是肯定的。這便是摩擦發電機的原理。只不過，由於摩擦的面積很小，一滴水所能產生的摩擦發電量是非常微小的。利用這種原理製成的摩擦發電機，最高的時候每平方米所能產生的電能還不到 1 瓦。
如何讓水滴發出更多的電？王鑽開領導的團隊對此進行了深入研究。他們提出了兩項重要的創新，一舉將水滴發電機的電量提高了三個數量級。
首先，是要提高靜電電荷的富集程度。
一滴水所能產生的電荷數量非常少，但千萬滴水就不一樣了。打個比方，某個小業務每天能給你帶來十幾二十塊錢的小收益。這筆錢，如果當天就要花掉，那麼可能買杯奶茶都不夠，起不到什麼太大的作用。但如果能把一筆一筆類似的小進帳都存下來，久而久之，就會在銀行裡變成一筆幾十萬的鉅款。
王鑽開團隊採用的就是這種積少成多的辦法。他們使用了聚四氟乙烯（PTFE，也就是不粘鍋上用作塗層的特氟龍）來作為“電荷的銀行”。王鑽開表示，“聚四氟乙烯是一種很好的駐極體材料，也就是說，它的表面可以很穩定地吸附負電荷。而且這個材料是疏水的，水可以從表面快速及時脫落。當液滴撞擊到它的表面鋪展和脫落時，就會導致電荷的產生和分離。”
他們發現，經過自來水液滴持續的撞擊，表面效應就會變成體效應：聚四氟乙烯的表面將累積起很高的電荷密度，這個電荷密度會在 16000 次撞擊之後達到最高值。也就是說，他們把一種日常生活中常見的材料，變成了類似電容一樣的儲存大量電荷的容器。
圖丨聚四氟乙烯表面電荷與水滴撞擊次數的關係。在 16000 次的撞擊後，電荷密度會達到飽和。（圖片來源：Xu et al., 2020）
在聚四氟乙烯的下面，有一層由氧化銦錫（ITO）材料製成的電極。由於聚四氟乙烯層聚集了大量的負電荷，氧化銦錫電極上便感應出了很多的正電荷。高達 143.5V 開路電壓就此形成。這個值比普通水滴發電機高了近 300 倍。
而第二項創新在於，有了電荷，還要能把它們的能量同時釋放出來。
銀行賬戶上是有錢了，但還得能把這些錢取出來。如果攢了幾十萬卻不能用來投資、消費，每次取現、轉賬的數額只有 10 塊錢，那麼幾十萬也就只是數字而已。可以同時釋放大量的電荷，便是王鑽開團隊取得的第二項重大創新。
在聚四氟乙烯和氧化銦錫電極之外，他們還安裝了一個鋁電極。這樣一來，這個發電機就像半導體中的三極管一樣，擁有了三個電極。這第三個電極成為了提高水滴發電機功率的關鍵。
水滴發電機結構和照片。其中的鋁電極是設計的關鍵。當水滴展開後，會將整個系統變成一個連通的電路（來源：
水滴本是球形的，當它剛剛墜落到固體的聚四氟乙烯表面時，並不與鋁電極接觸，整個系統處於“開路”，也就是電路沒有接通的狀態。此時，靠摩擦靜電所能發出的電非常少——這也是普通水滴發電機發電量少的原因。
但隨著 “砸” 在表面上的水滴鋪展開來，“奇蹟”就出現了。隨著水滴的表面積越變越大，它逐漸擴散到了鋁電極上。由於水滴也是導電的，它就在一個瞬間接通了之前本不相連的聚四氟乙烯、鋁電極和氧化銦錫電極，形成了一個連通的電路。在這個過程中，這水滴不只是發電系統的能量來源，更重要的是整個發電機的開關。
當水滴與鋁電極接觸的時候，會瞬間出現大量的電荷轉移（來源：Xu et al., 2020）
隨著電路的接通，之前聚集在氧化銦錫電極裡的大量電荷，就突然湧向鋁電極。這個電流比沒有鋁電極設計的普通水滴發電機大了 2600 倍，使得一滴水就足夠點亮連接在電路里的 100 盞 LED 燈。
之後，隨著水滴的收縮並逐漸離開聚四氟乙烯的表面，正電荷開始迴流，並在水滴與鋁電極脫離接觸的一剎那，所有正電荷全數流回氧化銦錫電極。研究人員發現，經過多次循環，電路里轉移的電荷數量並不會減少。“美妙的是這個電容器裡的能量基本上是恆定的，因為表面電荷的丟失也會因為後面水滴的不停降落而得到補充”，王鑽開表示。只要有水滴不斷地滴下來，這臺發電機就可以長時間、連續地工作。
經過計算發現，這種設計可以將一滴自來水中所蘊含能量的 2.2% 轉化為電能，比之前的水滴發電機高出了幾個數量級，每平方米在單位時間內產生的最大電能可達 50.1W，也比之前提高了幾千倍。 而且，這個轉化率還可以繼續優化和提高。
更加難能可貴的是，這還是一個一點也不 “嬌氣” 的發電系統。他們進行了一系列的測試，發現不論是雨水、自來水，還是海水，都能利用這種原理髮電。而且，不論環境溼度是 65% 還是 100% 也都沒關係。這就意味著，這種設計可以有廣泛的應用前景。
當然，這還只是一個原型機，相比於水力發電系統動輒 80% 以上的效率，水滴發電機 2.2% 的效率還是太低。但王鑽開表示，這只是一個很小的體效應單元，它清楚地展示了水滴撞擊後電荷的產生和釋放過程。這個過程揭示的是一種全新的發電原理，利用的則是之前很難利用起來的能量來源。
這種原理也可以用來從浪湧中獲取能源（圖片來源：Wikimedia Commons）
“這是一種具有普適性的發電方式”。王鑽開認為，不只是雨傘這樣的利用水滴發電的設備，小到納米結構、大到堤壩上的浪湧，只要存在固體和液體之間的相對運動，都可以利用這種原理髮出電來。也許有朝一日，這種技術也能和太陽能、風能一道，成為人類清潔未來的能量來源。
-End-
轉自 DeepTech深科技 靖海
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