陕籍科学家王中林的名字最近比较火。

作为2019年度的“阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖”的获得者，这位西安电子科技大学校友成为首位获得该奖项的华人科学家。这一奖项从1984年开始设立，用于表彰和鼓励世界科学技术领域的重大研究进展，授予为人类带来福祉的杰出科学家。

▲意大利总统马塔雷拉为王中林颁发埃尼奖奖章。图 | 西安发布

评选委员给出了高度评价，在纳米发电机和自供能系统研究方面做出了影响深远的开创性贡献，并认为这一技术“有潜力彻底改变我们生活的每一个角落”，“有望在不久的将来改变世界”。

王中林目前系中国科学院外籍博士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、首席科学家，曾经在2017、2018年连续两年参加西安的硬科技大会。

在2017年的硬科技大会上，王中林介绍了纳米发电机与传统发电机的区别，并以《纳米发电机新时代的能源与传感》为主题展开演讲，他说：“新时代的能源就是适用于移动式的，传感大数据物联网的能源。”

那么，纳米发电机究竟是一项怎样的科技？纳米技术、材料科学等这些前沿科技听起来很耳熟，但他们究竟是怎样与普通人的生活发生联系的，为了解答这些疑惑，我们邀请到西北工业大学材料学院查钢强教授聊了聊。

贞观：一般人可能对太阳能、核能还比较了解，但是不太了解纳米发电机？

答：太阳能是通过光电效应，把光能转换为电能。

要理解纳米发电机，咱们可以先说说普通发电机的原理，普通的发电机是用蒸汽也好，燃油也好，都是驱动一些东西，把动能转变为电能，原理就是中学课本里学过法拉第的电磁感应原理。

纳米发电机是什么呢，其实是利用摩擦、或者抖动这种微小的运动，虽然微小，其实也是有动能的，纳米发电机就是把微小的动能也转变成电能。

贞观：它的工作原理是什么？

答：纳米发电机中最核心的就是压电晶体材料。可以大概理解压电晶体里面的电荷分布是不对称的，你一压，晶体就变形，正负电荷分离，晶体表面就会有电。这就像老触摸屏的手机，是靠压力传感，压完以后就有电信号。

贞观：所以研究纳米发电机首先要了解压电材料?

答：这么说，所有的材料里都是有电的，带正电荷、负电荷，这个正负电荷的中心是重合的，看上去是中和掉的。

如果一压，这材料变形了，正电荷往下跑了，负电荷往上跑了，从外面看就有电场，有电压，加一根导线，电子就能从这边运动到另一边，就有电流，接一个灯泡就会工作。如果断开，一边是正电，一边是负电，两边的电压是不一样的。

现在压电材料很多广泛的利用，比如传感器、声纳、声波传感器、手机扬声器，都是利用压电材料。

声波是空气压缩的机械波，说话的声波打在了压电材料上面，压电材料感受到这个力，就会变形，变形过程中就会产生电，这样声音信号就变成了电信号。同样，如果这个电信号传递到另外一个晶体，相当于给这个晶体通一个变化的电场，这个晶体就会振动，这个振动就会把声音再发出来，就有了扬声器。

声控灯的开关里面其实也是有压电材料，把声波的振动转化成电信号，达到一定幅值，相当于打开了一个开关，灯就亮了。

贞观：纳米材料是什么做成的？

答：纳米只是一个长度单位，一般的材料是由原子组成的，原子和原子之间的间距大概在一个纳米左右，有的是零点几个纳米，一般原子之间间距小于一个纳米。

材料在维度上分为0维、一维、二维、三维。三维就是宏观材料；如果是二维的，就像石墨烯，特别薄，就可以叫纳米材料；如果是一维的，纳米线，像一根碳纤维，碳纤维还有点粗，还不能算纳米材料，一维纳米材料比这个还要更细一点；0维的，可以理解为粉，只不过这个纳米颗粒比一般粉更小。

至于这个粉，可以是银粉也可以是铁粉，什么材料都可以做成纳米材料。

现实中的一些纳米冰箱，可能就是表面的一些防护涂层里有一些包含纳米颗粒的粉，就叫纳米冰箱了。虽然跟纳米材料也沾点边，但更多的是一种炒作，让大家不明觉厉。

贞观：跟普通材料有什么不同？

答：一个材料做到纳米尺度上就会有一些奇特的性能，很多会违反常识。

比如说荷叶出淤泥而不染，为什么呢？原因是荷叶表面结构排列和普通叶子排列不一样。荷叶表面的原子排列结构导致它不浸润，这个不浸润要研究它的机理一定是从纳米尺度来研究的。

现在有一种仿造荷叶原理的玻璃，涂上一层特殊结构的材料，这个玻璃就不沾灰，水一冲就干净了，不用擦，但是它的寿命和成本可能还没有达到普及的程度。

比如铁是金属光泽的，把铁再切小，切小，切到一定小的时候，就不是银色的，变成黑色的。比如金，它的熔点是1000多度，再切小再切小，放在手上就能融化，纳米尺度的金熔点就很低。纳米材料的很多性能跟宏观材料性能不一样，材料尺寸不断变小，量变到一定程度的时候就会发生质变。

比如还有人研究蜘蛛网，有一种科幻说法，说是再过十亿或者几十亿年以后，地球上唯一能存活地就是蜘蛛，到时候水都挥发完了，水就很少，蜘蛛能存活下来，因为蜘蛛丝表面有特殊的结构，它对水的吸附能力特别强，就有人研究蜘蛛丝为什么能吸附水呢？蜘蛛丝表面结构是什么样子的，就能做出人造蜘蛛丝。

纳米材料是一个很庞大的学科体系。

贞观：纳米是现在物质最小的研究单位？

答：也不能完全这么说。从尺寸上看，研究到纳米尺度的材料性能的深入研究基本是目前材料性能研究的最小尺度了。比如说一个宏观材料的性能，从表面看，最外面的前五层原子对性能影响很大，这五层原子其实也就在纳米范围内。更小尺度、更微观的研究，可能就涉及原子内部的研究了，就更偏物理更基础一点。

贞观：压电晶体材料就是纳米材料？

答：这两个名词，不是同一个维度的命名方式。压电晶体是根据材料的功能划分的，比如压电晶体、铁电晶体、激光晶体等等，而纳米材料是通过尺寸大小划分的。

贞观：那这个纳米发电机是怎样发生作用的？

答：举个例子，科幻片里像苍蝇蚊子那么大的一个小机器人，这里面最小的纽扣电池也放不进去，怎么提供电能呢？未来的社会要想真正地做到机器苍蝇，首先得给它能量。

比如说我身上装一个小的苍蝇机器，里面有一个小球，走的时候身体起伏的，小球就在抖，抖得过程中就有动能，动能传递给这个小的压电片，就变成电。因为这里面有摄像头，还有其他的运动控制装置，必须要有电来控制其他的。

电哪来呢，就是把这个微小的动能通过这个小的压电片传递给这个小的装置。

贞观：现在能利用的动能都有哪些？应用场景广泛吗？

答：实际上它的应用领域主要是在微纳机械、微纳结构里。刚才我举了一个简单的例子，一个微胶囊，只有一毫米大，它到人体后还要动，要看，怎么办？其实倒不是在乎这点电能，关键就要这个非常小的电，整个微纳器件必须要有微纳电源。

贞观：那王中林教授在这一领域的最大贡献是什么？

答：王中林教授是全球著名的纳米材料领域的学者，我觉得最大的贡献可能是从纳米压电材料做到纳米器件吧。这个工作的难度还是很大的。

要想做好纳米材料，首先要对它的生长工艺控制地很好，然后在这个基础上把它转化成一个器件。 我们通常把100纳米以下的材料叫纳米材料，一般头发丝是60微米左右，1微米是1000纳米，100纳米只有0.1微米，可以想象一下，也就说600个纳米材料或器件才有一个头发丝粗，要想精确控制这些材料和器件的难度，当然也是很大的。

贞观：目前国内纳米技术的成熟度，未来还要往哪里去走？

答：这个很难准确描述，我个人觉得国内的材料科学的基础研究的总体水平应该跟国际同步，只不过材料的工程技术和应用技术研究与国际一些龙头企业还有较大差距。

只能说实验室出了样机，确实做出来器件，也确实能输出电信号，确实也能用，至于这个东西批量用还没有达到，牵扯到成本各种因素，因为从科学技术到产品它还有一段路。

▶王中林简历：

1961年11月生于陕西省蒲城县。

1978年，考入西北电讯工程学院（现西安电子科技大学）。

1982年，考取中美联合招收的物理研究生，之后赴美留学。

2006年，成功研制出世界上最小的发电机——纳米发电机，被誉为“纳米发电机之父”。

2018年，获得世界能源领域权威奖项——埃尼奖。

2019年，获“阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖”。

现任中国科学院外籍院士、中科院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、佐治亚理工学院终身讲席教授、西安电子科技大学名誉教授。

• 感谢西工大材料学院樊慧庆教授、铂力特公司薛蕾先生对本文的支持。

作者：图图

贞观作者

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