液-液摩擦纳米发电机新技术 为「蓝色能源」提供新思路
气候变化可能失控的“最後警报”已经响起，人类对能源的需求却有增无减，要应对迫在眉睫的能源危机，其中一个对策是加速发展可再生能源。水覆盖了地球表面70%的面积，如何充分利用这种天然资源蕴含的巨大能量，一直是科研人员致力探索的目标。最近以香港城市大学（香港城大）研究人员为主的团队另辟蹊径，结合两种截然不同的新兴技术，研发出基於液体与液体之间相互摩擦而产生能量的发电机，即使在恶劣环境下也能提高以雨水或海浪发电的效率，为进一步开发「蓝色能源」提供了崭新思路。
目前，水力发电是人类社会应用最广泛的可再生能源。无论是古意盎然的水车，还是巍然矗立在江河之上的水电站，其基本原理都是利用水从高处往低流产生的动能发电。2012年，华裔科学家王中林教授成功研发了摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerators, TENG）。TENG的工作原理，是通过摩擦起电效应和静电感应效应把微小的机械能转换为电能，也就是我们小时候用尺子在头皮上摩擦後可吸起碎纸屑的现像。这种技术可将固体与固体之间，或者固体与液体之间相互摩擦的能量转化为电能。也就是说，水化成的雨滴或露珠，以及汇聚成的瀑布或海浪，只要与特定的表面摩擦，产生的动能就可用来发电。
不过，要扩大TENG技术的应用，以进一步开发水中蕴藏的能量仍然存在诸多瓶颈。为了让水滴尽快排走从而有更多接触点连续发电，固体界面经常选用疏水或超疏水表面，可是，这些表面在恶劣的环境下很容易失效。例如低温高湿，水滴会形成冰粒令表面冻结，而处於水下环境，表面则会形成生物膜，这些表面一旦有生物膜粘附，寿命就会缩短，采电效率亦会随之降低。
香港城大机械工程学系教授兼仿生工程实验室主任王钻开教授领导的研究团队，最近成功克服了上述局限，他们将另一种新兴技术超润滑液体注入型表面（slippery lubricant-impregnated porous surface, SLIPS）与TENG结合，设计出了一种基於超润滑界面的液-液摩擦纳米发电机（SLIPS-TENG）。在低温的环境里，这种「双剑合璧」的发电机比原来基於超疏水固体界面制成的TENG，输电功率提高了一个数量级以上。
SLIPS这种技术，是哈佛大学的科学家於2011年仿效猪笼草利用滑溜笼口捕猎昆虫的原理，将低表面张力润滑液体注入固体材料而制成的液体表面。这种表面超滑抗黏，几乎能排斥包括血液丶油在内的任何液体，兼具快速自动复原功能，在防污丶减阻丶抗结冰等领域获广泛应用。
在这次研究中，研究人员将全氟化的润滑液注入多孔聚四氟乙烯薄膜中，制成超润滑SLIPS液体表面，与水形成液-液-固的摩擦界面。新设计的发电机既具备SLIPS的各种优点，亦利用了TENG的技术能更有效地将雨水和波浪的机械能转化为电能。此外，无论在光学透明性丶环境适应性丶自清洁性丶灵活性和输电稳定性等方面，它都比单以TENG为基础的发电机更加优胜，并可在低温下保持与室温相约的电能输出。而且这种超润滑液体表面容易制造，它还能制成可穿戴的器件。
「这是SLIPS与TENG首次有机地结合，我们将两项看来截然不同的技术合而为一，并证明液体与液体之间相互摩擦产生的能量也能转化成电能。从更广泛的角度来看，两者的结合将为蓝色能源器件设计提出了范式转换，这些器件会更坚固耐用丶功能多样，并适合在多种环境下应用。」王教授指出。
液-液摩擦纳米发电机在室温摄氏25度和低温摄氏零下3度把水能转化为电能的表现
这项研究由香港城大丶中国科学技术大学丶华东师范大学和内布拉斯加大学林肯分校（University of Nebraska Lincoln）联合进行，并获得香港研究资助局与深圳市科技创新委员会的资助。研究成果最近以"SLIPS-TENG: robust triboelectric nanogenerator with optical and charge transparency using slippery interface"为题，在国内第一份英文版自然科学综述性学术期刊《国家科学评论》（National Science Review）上发表，文章通讯作者是王钻开教授，共同第一作者分别是香港城大与中国科学技术大学联合培养博士研究生徐王淮丶华东师范大学周晓峰副教授和香港城大机械工程学系高级研究助理郝崇磊，其他合作者包括内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授及刘源博士丶中国科学技术大学徐晓嵘教授，以及香港城大能源及环境学院梁国熙教授丶机械工程学系助理教授杨征保博士丶以及该系的博士生郑焕玺和严咸通。
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本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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