納米和能源有什麼關聯?納米技術可能帶動能源新的革命?十一屆埃尼 '前沿能源獎' 對納米發電機應用於新時代能源的前景給予充分肯定, 並將該獎授予中國科學院外籍院士, 歐洲科學院院士, 中國科學院北京納米能源與系統研究所所長王中林, 這也是對其 '納米發電機之父' 地位的認可.
埃尼獎(Eni Award)被譽為世界能源領域的 '諾貝爾獎' , 與計算機界圖靈獎, 數學界的菲爾茲獎及沃爾夫獎等並稱為各自領域的最高獎項. 王中林院士的獲獎成果將會給能源帶來怎樣的影響?十幾年的研發背後又有哪些不易?帶著這些問題, 《中國能源報》記者專訪了這位 '納米帝國' 的領軍型科學家.
納米發電機, 將周圍低頻能量轉化為電能
中國能源報: 埃尼獎組委會於7月23日將埃尼 '前沿能源獎' 授予您, 表彰的是哪方面的研究成果?
王中林: 這次埃尼獎主要表彰我基於納米發電機的理論和技術的一些前沿科研成果, 是對我發明納米發電機和開創自驅動系統與藍色能源兩個原創領域的肯定, 以及對納米發電機應用於物聯網, 感測網路, 環境保護, 人工智慧等能源和感測領域的肯定.
中國能源報: 什麼是納米發電機?您帶領團隊研發的納米發電機有哪些原創性優勢?解決了哪些難題?
王中林: 納米發電機, 是基於規則的氧化鋅納米線的納米發電機, 可在納米範圍內將機械能轉化成電能, 是世界上最小的發電機. 我們的納米發電機成果是原創. 首先, 納米發電機理論是完全原創的, 不同於傳統電磁發電所利用的是傳導電流, 納米發電機用的是麥克斯韋提出的位移電流. 前者是我們現在大能源的基石, 後者則應用於分布式能源, 它是繼法拉第電磁感應定律後180年來第二個把機械功轉為電工的有效方法. 此外, 我們還有原創的學科——壓電電子學和壓電光電子學;原創的技術——摩擦納米發電機和自驅動系統;原創的概念——我們將納米發電機統稱為 '新時代能源' , 即應用於物聯網和感測網路時代的分布式, 移動式, 功率小但數量多的小電源網. 這些理論, 學科, 技術和概念, 都是我們首次提出, 在這個領域我們引領世界.
這些理論和技術解決的最大難題, 就是有效利用環境中低頻能量, 並將其轉化為電能, 提供了新的途徑. 傳統的電磁發電機需要很高的頻率才能發電, 將低頻能量轉化為電能是不可能的. 而生活中最廣泛最常見的卻是小於5-10赫茲的低頻能量, 其實, 我們可以利用周圍環境中的一動一靜發電. 納米發電機理論的誕生就為人類有效利用這些環境中的低頻能量從物理方面打通了途徑.
從技術應用的角度來看, 我們的理論解決了系統器件嚴重依賴外接電源或者電池的難題, 可以實現自我攝取周圍能量並轉化為電能, 實現自供電, 自驅動, 這個應用就非常廣泛了, 可以為物聯網, 感測網路, 大數據時代工業器件提供分布式移動式電源, 為物聯網時代的到來提供全新的, 可能的能源供給方案.
藍色能源, 從 '小能源' 到 '大能源' 的 '殺手性' 應用
中國能源報: 您提出的 '藍色能源' 構想是基於怎樣的考慮?
王中林: 納米發電機區別於傳統的電磁發電機, 它的優勢就是能夠將環境中的低頻能量轉化為電能, 比如人的走路跑步, 心臟脈搏的跳動……後來, 我看到大海的潮汐波動, 對著波浪的無規則晃動, 我就想, 我們的納米發電機是不是也可以收集起這些不規則的低頻能量, 將之轉化為電能?
基於此, 我在2014年提出了 '藍色能源' 的概念. 可以說, 這個概念的提出是我對納米發電機理論在技術層面不斷思考和研究的結果, 它有望解決人類無法大規模利用波浪能的難題, 也是將納米發電機從 '小能源' 邁向 '大能源' 的 '殺手性' 應用.
中國能源報: 何謂 '殺手性' 應用?
王中林: 簡單來說, '藍色能源' 技術的基本原理就是製作一種由眾多摩擦發電球構成的大型網格納米發電機, 分層放置在遠離海岸和航道的深水區, 不會影響近海的人類活動. 理論測算, 對于山東省面積大小的一片海域, 如果在10米深的水中布滿這種發電網格, 其發電量可滿足全世界的能源需求.
現在我們團隊在前期研究的基礎上, 技術研發取得了更好進展, 而且利用的材料價格低廉, 適用於大規模生產和商業化. 對此, 我們充滿信心.
中國能源報: 在納米發電機研發過程中, 您最大的觸動是什麼?
王中林: 納米發電機從2006年開始研發, 到現在差不多已經12年, 在這12年中, 我們的科研也面臨過很多困難, 甚至受到諸多質疑. 但我們堅定信念, 每一步都留下了堅實的足跡.
印象深刻的事情很多, 但感受最深的不是具體事件而是對原創的深刻理解和感悟. 我們總是關注和強調原創, 那麼什麼是原創?我想, 不一定每個學者都能有這麼深刻的領會. 我認為, 原創就是——別人沒想到, 你想到了;別人想到了但是沒做, 你做了;你做後別人認為不對, 不正確, 你卻堅持做下去了;別人說你做的沒意義, 你還是堅持了;你堅持過程中遇到失敗, 面對嘲笑和諷刺, 還在堅持, 並最終取得成功. 這個過程一般要10-20年, 甚至更長. 所以, 原創一般來說都是在質疑甚至抨擊中做出來的, 一開始就被看好的基本上不會出現重大原創. 這是我在研發納米發電機技術的過程中印象最深刻的感受, 真是 '千裡走單騎' . 現在, 全世界有40多個國家和地區, 400多單位, 3000多科研人員在從事納米發電機的研究和應用, 走在最前面的是我和我的團隊.
前景可期, 有望成就自驅動系統
中國能源報: 您的研究成果要實現大規模商業化開發還有哪些問題待解?
王中林: 由於納米發電機對材料要求不高, 成本低廉, 而且理論和技術日益成熟, 因此產業化前景會非常好. 我們的科研成果基本都是面向社會應用的, 很接地氣, 已經獲得了150餘項專利, 這些專利基本上都可以很快實現產業化應用. 但我們是科學家, 科研是我們的專長, 搞產品和做市場是我們的短板. 即便如此, 我們的產業化也取得了初步的成功, 比如我們利用摩擦電空氣淨化技術入股成立的中科納清科技股份有限公司, 生產的全新技術模式的摩擦電口罩和新風系統等, 都初步被市場認可.
從產業化實踐來看, 我們認為科研成果轉移轉化, 一方面需要政府牽線搭橋和必要的政策支援;另一方面也需要給科研人員充分的自主權, 激發大家的積極性.
中國能源報: 團隊今後的研發重點有哪些?
王中林: 下一步, 我們將重點研發摩擦電空氣淨化系統在治理汽車尾氣汙染方面的應用, 重點推進藍色能源技術的開發和應用. 還將進一步研發大規模感測陣列, 自驅動智能鍵盤, 可穿戴柔性自供能模組, 無線自供電監測系統, 自驅動醫療器件及柔性電子皮膚等方面的應用.
中國能源報: 您的研究成果將為能源領域帶來哪些變革?
王中林: 我對我們的科研成果在能源方面的應用前景充滿自信.
首先, 隨著人類社會向物聯網, 感測網路和大數據時代的邁進, 不僅需要傳統的大能源, 也越來越需要基於納米發電機的小能源, 這些小能源將與傳統大能源相輔相成, 為人類社會帶來更全面, 更可靠的能源供給途徑和方式.
其次, 我們的藍色能源也會為 '大能源' 開闢新的領域, 人類大規模開發利用浩瀚海洋的波浪能和潮汐能, 我想已經不是遙不可及的夢想了.
最後, 隨著納米發電機技術的成熟和推廣, 我相信未來的電子器件將會越來越多地擺脫對外接電源的依賴, 自驅動系統將為人類電子器件走向分布式, 獨立式, 微小化, 多樣化開闢廣闊的前景.