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王中林和他的納米世界

2020-03-16 03:31
學(xué)苑創(chuàng)造·C版 2020年2期
關(guān)鍵詞:氧化鋅發(fā)電機(jī)摩擦

[誤打誤撞]

1961年,王中林出生于陜西高陽鎮(zhèn)。作為家中最小孩子,王中林得到了更多照顧。雖然家境不好,但全家人一起努力,給他提供了所能得到的最好教育。他也沒讓家人失望,小學(xué)、中學(xué)、高中一直都是第一名。1978年,王中林考取了西北電訊工程學(xué)院(西安電子科技大學(xué)的前身),專業(yè)是物理。

1981年,學(xué)校得到了送學(xué)生去美國進(jìn)修的名額,20歲的王中林報了名,但因?yàn)橛⒄Z太差,沒通過。隨后一年,他惡補(bǔ)英語,第二次選拔時,王中林順利通過,并成為西北五省唯一被錄取的學(xué)生。隨后,他選擇了亞利桑那州立大學(xué)(Arizona State University)作為目標(biāo),因?yàn)锳開頭的學(xué)校排在了列表最前面??赡芤彩峭瑯拥脑颍渡淼搅艘晃幻锌祭–owley)的教授門下。當(dāng)時他并不知道,這位全名叫做約翰·麥斯威爾·考利(John Maxwell Cowley)的教授,是高分辨電子顯微學(xué)的祖師級人物。

就這樣,一次撞大運(yùn)般的選擇,開啟了王中林的科研之路。

[起步維艱]

在美國,王中林僅用四年時間就拿到了物理學(xué)博士學(xué)位,而其他人要六年或八年。這期間,王中林順利完成了多個研究課題,從電子顯微學(xué)到納米材料表征。他的勤勉得到了教授考利的高度贊賞——“不管做什么,他都是最好的”。

但隨后的故事卻沒有那么順利。畢業(yè)后,王中林首先找到了美國石溪大學(xué)的一份博士后工作,然而,這里的實(shí)驗(yàn)條件太差,他習(xí)得了一身屠龍之術(shù),這里卻沒有龍。后來他去英國劍橋大學(xué),開始了新的研究生活。可惜,天時地利人和,總是難以湊全,在劍橋,他缺的是人和。

不過,正是在這段灰暗的歲月,王中林硬是達(dá)到了他的一個學(xué)術(shù)小高峰。那個年代,電子顯微學(xué)還不成熟,很多研究者都是自成體系,甚至連使用的符號都不統(tǒng)一。實(shí)驗(yàn)受挫的王中林不想虛度光陰,他找來了該領(lǐng)域的所有文獻(xiàn),用了兩年的時間,將所有這些知識提煉成了一本書——《電子成像和衍射中的彈性和非彈性散射》,這是他的第一本著作,一經(jīng)出版就廣受好評,被稱為“具有卓越成就的經(jīng)典之作”。

1995年,王中林應(yīng)聘到了美國佐治亞理工學(xué)院當(dāng)副教授,從事納米科學(xué)研究。

初來乍到,王中林沒有專用的實(shí)驗(yàn)室,只能白天看文獻(xiàn),晚上蹭別人的實(shí)驗(yàn)室。有些教授歧視他,倔強(qiáng)的王中林扛下了這些壓力,用三年時間發(fā)表了80多篇論文,還獲得了終身教授席位。隨后王中林又用了五年時間,成了佐治亞理工學(xué)院的董事教授。全校數(shù)千名教職員工,這個榮譽(yù)每年只有兩個名額。

[不走尋常路]

進(jìn)入21世紀(jì),筆記本電腦和手機(jī)開始占領(lǐng)人們的生活。笨重的電池似乎愈發(fā)難以滿足這些精致的電子產(chǎn)品。同時,隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,微型傳感器得到了大規(guī)模應(yīng)用。這些數(shù)以萬計(jì)的傳感器比指甲蓋還要小,如何給它們供電,成了一個大問題。

王中林適時地提出了“自驅(qū)動”這一概念。所謂自驅(qū)動,是指不依靠電池等儲能器件,讓電子產(chǎn)品直接從環(huán)境中收集能量。這個概念一經(jīng)提出立刻引起了物理學(xué)界的廣泛關(guān)注。

為了實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動的構(gòu)想,王中林將目光投向了氧化鋅。氧化鋅這種半導(dǎo)體材料具有很多神奇的特性,最讓王中林著迷的,就是它的壓電效應(yīng)。氧化鋅的壓電效應(yīng)早已被人發(fā)現(xiàn),但一直也沒有得到足夠的重視,王中林卻覺得這是塊寶。

2009年,王中林通過一個納米針尖,撥動氧化鋅納米棒,成功輸出了5毫伏的電信號。這種納米級氧化鋅具有很好的柔韌性,即使發(fā)生30%的形變都不會破裂,這可以讓壓電效應(yīng)得到最大程度的發(fā)揮。然而,電信號還是太微弱了。于是,王中林結(jié)合自己數(shù)十年納米領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn),不斷改進(jìn)設(shè)計(jì),最終制備了一種氧化鋅納米棒的陣列結(jié)構(gòu),再結(jié)合精密的電路設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)了1V的電信號輸出——足以點(diǎn)亮一個小燈泡了。

但這還不夠。2011年,有學(xué)生在測試一款納米發(fā)電機(jī)時觀察到了5V的電壓信號,王中林經(jīng)過仔細(xì)研究,發(fā)現(xiàn)是器件中使用到的材料表面比較粗糙,在實(shí)驗(yàn)中封裝不穩(wěn),發(fā)生了滑動,造成了摩擦起電。王中林心想:為什么不把這個效應(yīng)利用起來呢?

經(jīng)過整整一年的探索,2012年初,王中林團(tuán)隊(duì)終于構(gòu)建了一個全新的納米器件:摩擦納米發(fā)電機(jī)。這個裝置可以通過摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)把微小的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。更重要的是,摩擦發(fā)電具有史無前例的輸出性能,可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)數(shù)千伏的電壓輸出,而且它使用的都是便宜的高分子材料。

王中林覺得摩擦發(fā)電的潛力應(yīng)該不止于此。他的下一個目標(biāo)是駕馭海洋——將海浪的能量收集起來,實(shí)現(xiàn)人類夢寐以求的“藍(lán)色能源”。為此,王中林設(shè)計(jì)了一款基于摩擦發(fā)電原理的球狀發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)由一個空心殼層和一個內(nèi)部球體組成,可以漂浮在海洋上。隨著海浪的沖擊,殼層與內(nèi)部球體發(fā)生相對位移與摩擦,從而產(chǎn)生電流。如果把成千上萬個球體發(fā)電機(jī)串聯(lián)成網(wǎng)絡(luò),將產(chǎn)生數(shù)目極其可觀的電能。

就這樣,納米發(fā)電機(jī)走出了一條從基礎(chǔ)科學(xué)到工程設(shè)計(jì)再到工業(yè)技術(shù)的“一條龍”路線,這種研究實(shí)踐在世界范圍都相當(dāng)罕見。

2004年,王中林接受邀請擔(dān)任國家納米科學(xué)中心海外主任,正式在中國開始了研究工作。2009年,王中林當(dāng)選最年輕的中國科學(xué)院外籍院士。

在王中林看來,科學(xué)家的人生分為三個階段,第一階段是向世界證明自己的才華;第二階段是盡力幫助朋友和周圍的人;第三個階段要用自己的知識來為國家和社會作貢獻(xiàn)。他覺得自己已經(jīng)進(jìn)入了第三個階段。

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