能量清道夫：静电可为世界供能

王中林手中的塑料小装置看起来不像解决我们迫在眉睫的能源危机的明日方案。它的大小和形状像一个小葡萄柚，但光滑且半透明。当他摇晃它时，里面一个更小的球自由地弹跳。

“如果你没电了，你就什么都没有了，”王中林用一种低沉而坚定的耳语说道，要求听众凑近听。他纹丝不动，但摇晃使里面的球像一颗受挫的爆米花一样咔嗒作响。他的另一只手中拿着一块小电路板，中间有一个闪烁的LED灯。一根电线将塑料球连接到灯上。他摇晃得越厉害，咔嗒声越大，白灯闪烁的频率也越快。

我们身处佐治亚理工学院亚特兰大校区一间没有窗户的地下室房间。三名面带微笑的年轻研究人员身穿白色实验服站在附近，观察着。一人拿着键盘，另一人拿着一块红黄相间的布料。

“在我们的环境中，一切都在运动，一切都在变化，”王中林边说边继续摇晃。“这都是能量，而且浪费了很多。”他想对此做些什么。在过去的十五年里，作为一名电气工程师和纳米技术专家，王中林一直在寻找从日常生活运动中收集能量的方法。

他的时机再好不过了。能源问题很严峻：我们需要大量的电力来保持城市照明和汽车运行，我们还需要少量的电力——大量的——为我们的手机、健身追踪器和平板电脑充电。这些需求是有代价的。去年在美国，约三分之二的总能源需求需要燃烧煤炭和天然气等化石燃料，这个过程会向大气中释放二氧化碳和其他温室气体，从而改变气候。

包括太阳能、风能和水能在内的可再生能源提供了总能源需求的约17%。但是，利用自然力量涉及的挑战是巨大的——而且目前尚未解决。即使是自行车灯和椭圆机，将运动转化为电力也需要很大的“劲头”才能工作。

相反，王中林正在开创一项工程，以通过微小的“劲头”发电。比如来自脚步。或者雨滴落在汽车上。或者按键盘键所需的力气。或者衬衫一天中产生的微小振动。这些以及其他日常运动可以为我们的设备充电，点亮我们的家园。

王中林手中的那个塑料球里内置了一种发电机，它使用廉价易得的材料来产生电流。这个概念很简单，但它是一种工程上的简单性，然而却需要几十年的研究、试错、再试错、再试错、再试错。王中林说，这种发电机可以使键盘从按键中收集能量，或者将衣服变成一个小型发电厂。

在过去的十五年里，作为一名电气工程师和纳米技术专家，王中林一直在寻找从日常生活运动中收集能量的方法。

王中林的想法从研究人员刚刚开始探索和理解它的意义上来说是新颖的，但从另一个意义上来说，它相当古老。他使用的是所谓的摩擦电效应。你已经知道摩擦电了，即使不一定知道它的名字。它解释了为什么衣服在烘干机里翻滚后会粘在一起，或者为什么冬天我们会意外地被电击。

摩擦电更常见的名称是静电。

捕捉火花

“摩擦电效应”描述了两种不同材料相互摩擦并交换电荷时发生的情况，使其中一种带正电，另一种带负电。（“Tribo-”来源于希腊语中“摩擦”的意思。）当你在寒冷干燥的日子里穿着袜子在地毯上拖着脚走，然后你的指尖接触门把手时，就会产生火花。

“我们的想法是捕捉这些火花，”瑞士洛桑联邦理工学院的微工程师Jürgen Brugger说。在大约两年前听到王中林的工作后，他开始研究使用摩擦电材料的能量收集方案。

古希腊人观察到，用动物皮毛摩擦一块琥珀后，这种硬化的树脂会吸引灰尘和其他小颗粒。电气（electric）这个词由伊丽莎白时代的科学家威廉·吉尔伯特创造，体现了这些起源：它追溯到希腊语中意为琥珀的elektron。学校老师使用同样的琥珀摩擦皮毛演示来介绍电力的基本原理，展示两根摩擦过的琥珀棒会相互排斥。生日派对上无聊的孩子们会用气球摩擦自己的头，让头发竖起来，并让气球粘在墙上。

静电的奇迹曾经似乎是世界大电气化进程中一个充满希望的前进方向。1663年，普鲁士科学家奥托·冯·格里克（也是马格德堡市市长）通过用手摩擦一个旋转的硫磺球，产生了诡异的黄色火花。他的发明常被认为是第一台静电发电机，据报道一些马格德堡居民相信他们的市长有魔法。在接下来的几个世纪里，人们将静电发电机用于各种有时可疑的应用，从作为运动障碍和铅中毒医疗手段的“电浴”，到给植物通电——有些人可能会说电击植物。

摩擦电的辉煌最终褪去了。1831年，英国物理学家迈克尔·法拉第揭示了第一台电磁发电机，它利用移动的磁铁在线圈中感应出电流。这改变了一切。今天，煤电厂、风力涡轮机、核电站和水电大坝中的发电机——基本上所有通过将物理运动转化为电能的设备——其核心都是一台电磁发电机。

只有复印机仍利用静电，以分布式电荷的形式引导墨水到纸上。在大多数情况下，它已被降级为介于轻微烦恼和极其危险之间的日常困扰。我们从塑料滑梯上滑下来，下地时被电击；我们被告知加油时不要使用手机或坐在车里，因为杂散电荷可能点燃油气。闪电，静电最猛烈的表现，每年在美国造成数十人死亡。

直到2010年，王中林几乎没有对静电多想过。他从没想过要引发一场能源革命。但实验室里一次他称之为“幸运的意外”揭示了摩擦电材料可以产生高电压，这使得这位科学家走上了收集它们的道路。

令人震惊的开始

王中林职业生涯早期，曾被发现新材料和新现象的魅力所吸引，“无论它们是否有应用，”他说。但这种观念在20世纪80年代后期发生了转变，当时他开始在田纳西州的橡树岭国家实验室工作，并看到科学家们利用新材料解决实际问题。到他1995年搬到佐治亚理工学院（他从那时起一直在此工作）时，他的工作有了明确的目的。“我只想研究真正有益的材料，”他说。他的新项目总是以同样的问题开始：我们能用它做什么？

2005年，王中林将他的实验室重心放在设计能够自供电的设备上。他研究压电晶体，这种晶体在弯曲、压缩或以其他方式变形时会产生火花。它们在100多年前首次被居里夫人的丈夫发现，但这种材料往往易碎且难以加工。

八年前，王中林和他的研究生正在测试一个设备，一种由薄层压电材料制成的“电三明治”。工程师们在去除层与层之间所有气隙时遇到了困难，他们认为这些气隙会阻碍设备的电流流动。然而，当他们测试设计时，他们记录到的电压比预期高出三到五倍。

“我们认为这肯定是测试的假象，”王中林 referring to experimental error。结果发现，仍有一些气隙存在，这意味着除了压电效应之外，还有其他因素在起作用。团队意识到电压一定是由于材料相互摩擦时交换电荷造成的：静电。这一认识是王中林研究中的一个决定性事件。

它不需要太多

到2012年，王中林的团队开发出了第一台摩擦电纳米发电机（TENG）。尽管名字听起来很小，但这些发电机的大小从几毫米到一米不等；“纳米”指的是电荷的尺度。从那时起，王中林的实验室设计并测试了数十种这些能量收集设备的潜在应用。他还激励了全球多个团队和数千名研究人员开发自己的应用。可行的TENGs的构想包括：基于纸张的扬声器，在折叠并塞进鞋子里时充电；以及将呼吸的机械起伏转化为电能以为心脏起搏器供电的发电机。

TENG的原理与静电相同：当两种不同的材料接触时，电荷会积聚在其中一种材料上，使另一种材料带上相反的电荷。在王中林手中的塑料球的情况下，当内外球反复接触和分离时，电荷就会积聚。将电极和电线连接到带相反电荷的材料上，电流就会流动以纠正不平衡。这不会是一个很大的电流，但许多应用并不需要太多。

大多数研究人员认为，摩擦电发电机在为手机和手表等小型设备供电方面潜力最大，但王中林希望做得更大。他的团队最近将几十个塑料球带到社区游泳池——在闭馆后——让它们在涟漪中自由摆动。即使是轻微的晃动也能产生足够的能量来为小灯或设备供电。他们的计算表明，由1000个在海中自由漂浮的球组成的网格，应该能为一个标准灯泡提供足够的电力。一个约三分之一平方英里大小的网格可以为一个小镇供电。

王中林不想就此止步；他看到了许多未经检验的可能性的潜力。想象一下，一个由这些球组成的矩阵覆盖了相当于乔治亚州面积的海洋区域，并向下延伸约30英尺。那大约是一万亿个球。

“如果我们使用这个，”他用他那严厉而坚定的耳语说道，“产生的能量将供应给全世界。”

摩擦电波

关于摩擦电纳米发电机（TENGs）的研究，即利用日常静电为设备供电，已经超出了王中林的实验室。

“全球许多研究小组，包括学术界和工业界，都在竞相进行TENG研究，以用于自供电物联网传感器、电子设备和医疗保健应用，”韩国成均馆大学教授、电气工程师金相宇说。

金的团队在王中林最初研究的启发下，率先开始研究TENGs。2015年，他们推出了一种使用摩擦电线的材料——用这种材料制成的衣服在穿戴几个小时后就能给智能手表充电。2017年，他们又推出了一种可拉伸的基于TENG的织物。发表在《ACS Nano》上的这篇论文讨论了针织和机织纺织品的相对发电优点。

克莱姆森大学的Ramakrishna Podila已开发这些技术四年。他最近推出了一种基于TENG的无线能量生成系统，该系统使用PLA（一种常见的可生物降解聚合物）作为其电极之一。在实验室测试中，他们发现它可以通过空气为16英尺外的另一台设备充电。

瑞士微工程师 Jürgen Brugger 的团队一直在开发结合摩擦电和压电材料的混合发电机。（压电材料在弯曲或变形时产生电流。）他说：“如果想从设备的任何部件中获得最大能量，就应该结合这些不同的能量收集机制。”

密歇根州立大学的 Nelson Sepúlveda 和王中林一样，都认为世界充满了被浪费的、可利用的能量。2016年末，他更进一步，设计了一种FENG——铁电驻极体纳米发电机。它的工作原理与TENG基本相同，只是你不需要做任何事情来产生电荷；材料本身就可以内置电荷。当带电材料相互挤压时，电荷会发生移动，产生不平衡，从而产生电流。

Sepúlveda的团队已经使用FENGs制作了一面密歇根州旗，它通过在风中飘扬来收集能量——然后可以兼作播放学校战歌的扬声器。它也可以反向工作，充当麦克风。像王中林的团队一样，他们也设计了一款利用静电收集按键能量的键盘。

未来冲击

摩擦电学为利用材料解决现有能源挑战提供了一条清晰的途径。“如果你不需要新材料，为什么要发明一种呢？”南卡罗来纳州克莱姆森大学物理学家 Ramakrishna Podila 沉思道。这个解决方案可能很快就会出现在你身边的设备中。

在中国，王中林创办的NairTENG公司已经开始销售摩擦电驱动的空气过滤器，并计划在未来两年内推出基于TENG的鞋子——带有为设备充电的端口。很快，通过轻松散步就能为手机电池充电。王中林预测，摩擦电装置可能在五年内出现在美国。

然而，与许多新技术一样，摩擦电作为主要能源的成功或失败取决于其应用能否在大规模生产中表现良好，并承受比原始实验室环境更混乱的条件。王中林的塑料球需要足够耐用，能够经受住各种元素的考验，并经过专门设计，不会干扰海洋生物。此外，目前尚不清楚它们是否能以王中林梦想所需的巨大数量生产。

一些研究人员甚至不相信摩擦电除了便携设备之外还有很大的未来。但或许悬而未决的最大问题是TENGs为何能起作用。高中物理老师和大学教授告诉学生，材料会交换电荷，并引用诸如电子亲和力等术语。但Podila说，实际上，科学家们并不真正理解这些电荷为何移动。一些物理学家认为，单个带电粒子（如电子）从一种材料跳到另一种材料；另一些人则认为，整个带电分子（称为离子）在跳跃。还有一些人认为，一种材料的微小碎片会脱落到另一种材料上，并带走它们的电荷。

“基础科学在很大程度上是未知的，”波迪拉说。虽然目前这不是问题，但如果无法理解其基本原理，可能会阻碍科学家们制造更高效的能量收集器，并为世界能源危机贡献解决方案。

王中林同意，理解静电的工作原理是生产这项技术的关键一步，但他认为这是一个可以克服的障碍。他对它的潜力毫不怀疑。

世界已经花费了近200年的时间来开发利用法拉第电磁学思想的电动工具，将运动转化为电能。对于王中林来说，摩擦电作为一种能源还是个新生儿：“这仅仅是个开始。”

Stephen Ornes 在田纳西州纳什维尔生活和写作。请访问他的网站：stephenornes.com。这篇报道最初以“能源清道夫”为题发表在印刷版上。