過去兩個多世紀(jì)，能源需求激增。化石燃料作為主要能源，不僅造成環(huán)境污染，而且蘊(yùn)藏量有限，開發(fā)可持續(xù)能源一直是全球面對的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。城大工學(xué)院副院長（國際化與企業(yè)協(xié)作）兼機(jī)械工程學(xué)系王鑽開教授取得重大突破，成功將水滴動能有效轉(zhuǎn)換成電能，推進(jìn)水能發(fā)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(xì)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(chǎn)生的力量和影響可能巨大且深遠(yuǎn)。」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(xué)探索獎」。

晶體管狀結(jié)構(gòu)的液滴發(fā)電機(jī)

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

為提升電能轉(zhuǎn)換效率，王教授提出了類似場效應(yīng)晶體管的設(shè)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(dāng)水滴持續(xù)撞擊PTFE表面，表面產(chǎn)生的電荷會不斷累積並逐漸達(dá)至飽和，克服了傳統(tǒng)液滴發(fā)電機(jī)低電荷密度的瓶頸問題。

 

一滴水足以點(diǎn)亮100個小型LED燈

更重要的是，兩個電極發(fā)揮類似場效應(yīng)晶體管的作用。當(dāng)水滴撞擊並在表面散開時，導(dǎo)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(huán)電路。所有積聚在PTFE表面的電荷被完全釋放並產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象大幅提升瞬時功率密度和電能轉(zhuǎn)換效率。

 

這款新型的液滴發(fā)電機(jī)，由王教授與美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校曾曉成教授，以及中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士合作研發(fā)，瞬時功率密度高達(dá)50.1瓦，較非場效應(yīng)晶體管設(shè)計的液滴發(fā)電機(jī)高出數(shù)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(chǎn)生超過140V電壓，足以點(diǎn)亮100個小型LED燈。有關(guān)研究結(jié)果於2020年的國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。

受大自然啟發(fā)的工程學(xué)專家

王教授喜歡從大自然汲取研究靈感，認(rèn)為自然界擁有的所有特性，包括適應(yīng)性、動態(tài)性、多功能性、節(jié)能和互聯(lián)性，都是科學(xué)家和工程師們一直夢寐以求、想在自己的研發(fā)成果裡所包含的。

王教授及其團(tuán)隊的其中一項源自大自然的突破性研究，是關(guān)於控制液滴成形的方式，使液滴更快從表面脫落，從而達(dá)至超乾爽表面，能應(yīng)用於防止飛機(jī)機(jī)翼和發(fā)動機(jī)等金屬表面結(jié)冰。

王教授另一個來自大自然的創(chuàng)新靈感，是與生物醫(yī)學(xué)工程系副教授申亞京博士合作，研發(fā)出微型軟體機(jī)器人，像毛蟲般多足，能在惡劣環(huán)境下載運(yùn)重物，可應(yīng)用於人體內(nèi)精確輸送藥物。

「經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，大自然已發(fā)展出非同尋常的原理，擁有綠色能源和恢復(fù)能力的特點(diǎn)，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(fā)進(jìn)行科研。大自然永遠(yuǎn)不會讓我們失望。」王教授說。

此文章收錄於CityU RESEARCH。