穿在身上的發電機
http://www.whhswh.com 2010-03-19 16:38 來源：南方人物周刊
科學家制造出了柔軟的發電橡膠，在彎折時它能夠把高達80%的機械能轉化成電能。除了做鞋墊之外，它還可以做成服裝的配件、日常用品，甚至可以成為植入體內的電源
“這看起來是一只鞋，實際上它是個充電器。”如果《國產凌凌漆》現在重拍的話，也許會有這句臺詞。當年周星馳那只可以做電吹風的鞋已經落伍了——它居然還要用電池！
現在，科學家已經制造出了可以織在衣服中、安裝在鞋墊里的發電裝置，也許過幾年，從鞋跟里拉出一根電線來為手機充電也不會那么可笑了。隨著納米技術和材料科學的發展，人們很快就可以隨時隨地為隨身設備充電了。
早在2008年初，喬治亞理工大學王中林教授的團隊就制造出了能夠發電的衣料，在最佳情況下，每平方米的這種衣料可以提供80毫瓦的電力。在電子顯微鏡下，我們會看到每一組發電材料的結構都像是兩個卷發筒，上面長滿了氧化鋅纖維。當這些衣料折疊、抖動，甚至只是輕微變形，兩個滾筒就會相互擠壓，產生電流，并通過鍍金的纖維傳遞出來。
這種發電裝置的原理是壓電效應，和煤氣灶電打火器或者一次性打火機一樣。1880年，皮埃爾•居里和他的兄弟發現了某些晶體能夠將機械能和電能相互轉換。現在我們的生活中已經充滿了大量的壓電材料——從石英表到手機中的小零件，從太空到深海。
壓電材料是一大類材料的統稱，它們的共同點是電荷中心并不在晶格內的同一個位置。雖然整體表現出電中性，但是當形狀有哪怕極輕微的改變，電荷分布馬上變得不平衡，宏觀表現就是產生了電流。現在使用最廣泛的壓電材料是鋯鈦酸鉛(PZT)，人們通常將這種原料粉碎，然后燒結成壓電陶瓷來使用。2002年，新加坡國立大學和國防機構已經開始嘗試把這樣的壓電材料裝在鞋里，收集人體浪費的能量進行發電。然而這項研究一直沒有太大的進展：為了保持壓電材料不被折斷，它必須有足夠的厚度，因此這種發電鞋穿起來不夠舒服。
普林斯頓大學的機械工程學教授邁克爾•麥卡爾平最近解決了這個問題。他的團隊使用制造集成電路的蝕刻法，把厚度只有10微米的PZT薄片封裝在硅橡膠中。現在他們制造出了柔軟的發電橡膠，在彎折時它能夠把高達80%的機械能轉化成電能，是原來同類產品的4倍。
這是一個創舉。PZT的燒結溫度高達1200度左右，沒有辦法直接和硅橡膠結合。麥卡爾平用了兩個步驟來解決這個問題：在氧化鎂基板上刻出極細的溝槽，讓PZT原料在其中燒結成晶體；然后覆上一層硅橡膠薄片，接好電路，再將氧化鎂基板溶解掉。PZT含鉛，直接接觸生物體時會造成危害，因此還需要再蓋上一層硅橡膠，將其徹底包裹起來。制作出的成品看起來像是細細的柵欄——1厘米有100條以上的PZT晶體，每條晶體只有0.01毫米寬。下一步，他們打算制造面積更大的產品，最終目標是將之變為可以隨身攜帶、隨時發電的發電機。
這種發電橡膠可能有很多用途。除了做鞋墊之外，它還可以做成服裝的配件、日常用品，甚至可以成為植入體內的電源，因為硅橡膠有很好的生物相容性。在麥卡爾平的設想中，這種只要一點點變形就可以發電的裝置可以利用人呼吸時肺部的變形來發電，只要將其植入體內，比方說緊貼著肋骨，它就可以給諸如心臟起搏器這樣的小設備提供電力。
現在研究人員還沒有開展動物實驗來檢測這種發電機的生物安全性，但是已經有了將其安裝在鞋上的計劃。如果它發出的電力能夠給手機或者iPod充電，就已經可以算得上是非常有價值的產品了。隨著電子設備能耗越來越低、我們對隨身設備的依賴越來越強，這種柔軟的發電機也許能夠給我們帶來更多的自由。
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