基於麥克斯韋位移電流的無線電力傳輸及驅動攜帶型, 可穿戴式電子設備示意圖
能源是當今社會發展的基礎, 也是人類生活質量的重要標誌. 從第一次電能使用開始, 電力總是通過金屬導線/電纜高效地, 安全地, 準確地傳輸. 作為化石燃料, 核能, 水力發電的主導技術, 電磁感應發電技術依賴於洛倫茲力驅動的自由電子在金屬導線中的流動. 為了滿足移動電子產品, 物聯網與感測網路的能量需求, 實現電能的無線傳輸至關重要, 尤其對於植入式醫療器件, 安全, 射頻識別等領域的應用. 目前, 無線電力傳輸技術通常是基於感應線圈和/或天線的. 與無線通信技術相比, 無線充電技術在增強無線器件與系統的適應性和移動性方面非常重要. 雖然現在有電磁感應, 磁共振和無線電波三種無線充電技術模式, 但這些技術仍是相當複雜且低效.
1861年, 英國科學家麥克斯韋提出物理學第一大方程組——麥克斯韋方程組, 並在方程組裡大膽創新地引進位移電流的概念. 麥克斯韋位移電流不同於常規觀察到的自由電子傳導的電流, 而是由於時間變化的電場再加上隨時間變化的原子束縛電荷的微小運動和材料中的電介質極化. 位移電流的第一項統一了電場和磁場, 並預言了電磁波的存在, 奠定了無線通訊的物理基礎. 位移電流的第二項被發現是納米發電機的根本理論基礎和來源, 在無線供電方面具有重要的潛在應用. 納米發電機的理論根源與傳統的電磁發電機有本質區別, 電磁發電機利用變化的磁場產生電流, 採用洛倫茲力驅動的電阻性自由電子傳導的機理, 而納米發電機利用表面極化電荷引起的極化場的變化來發電, 採用電容性位移電流的機理. 納米發電機是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術後在能源與感測方面的另一重大應用, 將影響物聯網, 感測器網路, 藍色能源和大數據等技術領域未來的發展.
近日, 中國科學院院士, 中科院北京納米能源與系統研究所首席科學家王中林, 北京納米能源所-北京科技大學雙聘教授曹霞, 以及北京科技大學教授王寧研究團隊, 開展了基於麥克斯韋位移電流的自驅動無線電力傳輸研究. 該研究團隊長期從事微納能源和納米發電機的研究工作, 得益於研究工作的積累, 並結合生活中觀察到的摩擦起電現象, 首次提出將麥克斯韋位移電流應用於無線電力傳輸的想法, 進一步設計了具有柵格結構的接觸滑動式旋轉發電機以及柔性可穿戴式發電機, 外界的機械驅動/刺激引起極化電荷分布以及空間電位移場隨時間發生周期性變化, 從而產生位移電流. 這些發電機通過位移電流的原理無線收集周圍環境中的機械能, 可持續地為各種攜帶型和可穿戴式電子設備供電. 該無線電力傳輸技術為低頻 (<5Hz) 下的能量传输提供了更有效的方法. 相关研究成果发表在Advanced Materials上.
