化水滴為可再生能源

過去兩個多世紀，能源需求激增。化石燃料作為主要能源，不僅造成環境污染，而且蘊藏量有限，開發可持續能源一直是全球面對的嚴峻挑戰。城大工學院副院長（國際化與企業協作）兼機械工程學系王鑽開教授取得重大突破，成功將水滴動能有效轉換成電能，推進水能發電的科研。

「收集水能有助解決全球可再生能源短缺的問題。儘管液滴細小又平凡，但假如我們能從滴下來的水有效地獲取動能，所產生的力量和影響可能巨大且深遠。」王教授說。他憑著收集水能的卓越研究，讓他榮獲騰訊基金會2020年「科學探索獎」。

晶體管狀結構的液滴發電機

傳統的液滴發電機利用介面摩擦起電效應，基於液滴撞擊表面，即兩種物料接觸並分離而產生電力。但這種方法受限於表面產生的電荷量，電能轉換效率較低。

為提升電能轉換效率，王教授提出了類似場效應晶體管的設計，由兩個電極組成，其中一個電極表面塗上一層聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，PTFE是一種可長期帶有電荷的永電體材料。當水滴持續撞擊PTFE表面，表面產生的電荷會不斷累積並逐漸達至飽和，克服了傳統液滴發電機低電荷密度的瓶頸問題。

 

一滴水足以點亮100個小型LED燈

更重要的是，兩個電極發揮類似場效應晶體管的作用。當水滴撞擊並在表面散開時，導電的水滴會「接通」鋁電極和PTFE/銦錫氧化物（ITO）電極，形成可通電的閉環電路。所有積聚在PTFE表面的電荷被完全釋放並產生電流，這種現象大幅提升瞬時功率密度和電能轉換效率。

 

這款新型的液滴發電機，由王教授與美國內布拉斯加大學林肯分校曾曉成教授，以及中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士合作研發，瞬時功率密度高達50.1瓦，較非場效應晶體管設計的液滴發電機高出數千倍。在實驗中，一滴100微升的水滴從15厘米的高度滴下，可產生超過140V電壓，足以點亮100個小型LED燈。有關研究結果於2020年的國際權威學術期刊《自然》發表。

受大自然啟發的工程學專家

王教授喜歡從大自然汲取研究靈感，認為自然界擁有的所有特性，包括適應性、動態性、多功能性、節能和互聯性，都是科學家和工程師們一直夢寐以求、想在自己的研發成果裡所包含的。

王教授及其團隊的其中一項源自大自然的突破性研究，是關於控制液滴成形的方式，使液滴更快從表面脫落，從而達至超乾爽表面，能應用於防止飛機機翼和發動機等金屬表面結冰。

王教授另一個來自大自然的創新靈感，是與生物醫學工程系副教授申亞京博士合作，研發出微型軟體機器人，像毛蟲般多足，能在惡劣環境下載運重物，可應用於人體內精確輸送藥物。

「經過億萬年的進化，大自然已發展出非同尋常的原理，擁有綠色能源和恢復能力的特點，例如荷葉葉面的疏水性和沙漠中某些甲蟲的取水方法。我們總可從自然界得到啟發進行科研。大自然永遠不會讓我們失望。」王教授說。

此文章收錄於CityU RESEARCH。