奈米發電機
- 只需要呼吸、走動甚至是血液流動時的微小能量，就可以驅動奈米級的發電機！Self-Powered Nanotech
科學人：2008年2月號 第 72 期
作者╱王中林 ( Zhong Lin Wang )
譯者╱宋宜真
內容摘要
作者以1920年代一種完全不需要電力的手錶：機械錶做為引起動機，來說明「奈米發電機」這個東西。
奈米發電機，只要奈瓦到微瓦這種十分微小的電力就可以運作了，叫做奈米電機。它可以應用在監測病
患血糖濃度的偵測器、會自動拉緊橋墩的結構偵測器，或是偵測有毒物質的環境偵測器等。
目前奈米發電機的製作仍是困難重重，但科學家倒是很快發明了可以符合MEMS超少電力需求的發電器。
利用壓電和電磁轉換器，建造出小型的震動型發電器。微型電磁發電器以移動中的磁鐵或線圈，
在電路中製造出感應交流電。典型的壓電震動發電器使用的是雙層鋯鈦酸鉛橫桿，它對橫桿懸空的
一端施加重量，當橫桿因重力而向下彎曲時，上層壓電材料便處於伸展狀態，而下層則處於壓縮狀
態，當尾端的重物來回振盪，便會出現交流電壓。 在奈米世界中，重力無法帶來實際的效用，
我們需要以其他方法來製造奈米發電機，將機械能（像是身體移動和肌肉伸展）、振動能（像是聲
波和超聲波）以及液力能（像是體液和血液的流動）轉換成電能來驅動奈米裝置。
氧化鋅奈米線，每條線都是完美的六角柱狀晶體，標準奈米線的直徑是30~100奈米，長度則為
1~3微米，作者的團隊發氧化鋅擁有一項很罕見的特性，就是同時具備壓電和半導體的性質，適合製
造並積蓄奈米線的壓電電荷。當AFM的傳導針尖彎折一條筆直的奈米線，便會建立一個彎曲場，使得
伸展面出現正應變而壓縮面出現負應變。針尖掃過氧化鋅奈米線頂端之後，我們觀察到在每個接觸點
出現許多相應的輸出電壓高峰。壓電效應會在奈米線體的內部產生電場，讓伸展和壓縮面出現正電和
負電壓。為了讓奈米發電機具有實用效益，我們需要一組奈米線來持續發電，並且將電力收集、傳送
給應用裝置，目標有三：減少使用AFM、讓所有奈米線能同時並持續發電，還有以超聲波之類的間接
波來驅動奈米線。由一組平行的氧化鋅奈米線陣列，並且以塗佈了鉑的鋸齒狀矽電極來取代AFM的針
尖。在電極板上塗鉑金屬不但可以增加它的導電性，還能讓它產生二極體般的效應，讓電流只從金屬
流向半導體。電極放在奈米線陣列上方一個可控制的距離內，並且可以橫向從奈米線陣列一端移動到
另一端，使奈米線輪流彎曲變形。由於電極外形是鋸齒狀的，它就像是一排AFM針尖掃過奈米線陣列。
最後提到可以用於生物體內的奈米發電機，以前用來長成氧化鋅奈米線的陶製或半導體基板，
不但硬而且易碎，無法植入肌肉或關節， 以導電性聚合物做為基板的話，就可以適用於生物體內。
作者的研究團隊目前的障礙，如：許多具有彈性的塑膠基板，適合拿來長成氧化鋅奈米線陣列。由於這
些基板具有彈性，奈米線的表面便呈波浪形，導致某些部份無法接觸到。完美齊一的奈米線陣列很難製
造。此研究團隊已經讓奈米發電機的電力輸出功率達到10毫伏特以及800奈安培，發電機大小約為6平
方毫米。且奈米發電機可以串聯以增加輸出電壓，也可以並聯以增加輸出電流，就跟電池或燃料電池
等電源一樣。但是為了製造出更高的輸出電壓，我們需要一樣高且粗細相同的奈米線。或許奈米發電
機永遠不會成為家用發電，甚至連手電筒都用不上，因為它們所製造出的電力太小了。但對於那些只
有間歇使用的裝置，奈米線陣列卻是個理想的發電機。
心得：
最近實驗室有討論到發電機，提到的是運用席貝克效應（Seebeck effect）的熱電發電機，
讓電位能儲存在兩個溫度不同的相異金屬界面。它所製造出來的電壓，會正比於兩端溫度差；
運用這項原理的熱電偶（thermocouple）通常是用來測量溫度。一旦產生了溫度差，物質中
的電荷載體便會從熱端擴散到冷端。移動至冷端的電荷載體會在熱端留下對生的帶電靜止原子核，
如此更增大了熱電壓。
而看到這篇以振動驅動壓電效應的奈米發電機，覺得十分新奇，可以利用機械能（像是身體
移動和肌肉伸展）、振動能（像是聲波和超聲波）以及液力能（像是體液和血液的流動）轉換成
電能來驅動奈米裝置，雖然以目前的科技而言，奈米發電裝置並不能運用在日常生活中，但是如
果日後奈米發電機能有所發展，那我們無時無刻都可以發電，舉凡血液的流動、呼吸、運動、
走路、打字，都可以轉換成電能。
就連講話的聲波、開車時汽車也會振動，火車行走鐵軌也會振動，如果能把這些能量都運用
於生活上，相信「能源危機」對我們就不再是一個威脅。記得日前在書報討論聽到一個演講是在
說「敏化染料電池」，演講者說明這或許會是未來的太陽能電池趨勢，因為敏化染料電池成本低
，而我想考慮多種因素，或許奈米發電機更優良，一則這也是環保能源、二則太陽能發電，
太陽能板需要廣大的空間。雖然以目前的科技來說奈米發電機產生的電能很微小，但很難保證在
未來也會如此。
另外我覺得這個科技，也應該用於教學上，讓學生能知道這個新科技，或許可以有不錯的點
子從教育中萌芽！
