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纳米压电传感器在新科技时代的广泛应用
编辑:www.csppm.com来源:澳门新葡萄京所有网站时间:2014/3/1 11:08:38

    纳米压电传感器的用处多多,如检测血液中疾病分子的迹象;探测空气中的有毒气体;追查食品中的污染物等。但要将这些设备做到完全小型化,电池和集成电路就成了拦路虎。美国材料科学家王中林教授利用压电技术发明的微型发电机给纳米世界带来了全新的动力。如果他能获得成功,生物和化学纳米传感器今后将能自己给自己供电。 

    早在一个世纪前,人们就已经知道了压电效应的存在,即晶体材料在机械压力下可产生电势。但2005年,王中林首次向人们展示了纳米层级的压电效应。他用原子显微镜的探针针尖去弯曲单个的氧化锌纳米线,当纳米线弯曲并回复到原有形状时,由锌和氧离子产生的电势就能驱动电流。在最初的试验中,王教授诱导出的微小电势仅几个毫伏。但他确信,只要经过足够多的实验,他一定可以设计出实用的纳米电源,这样的电源甚至可以利用澳门新葡萄京所有网站身边的微小振动,如声波、风乃至植入设备中血流量的波动。这些微妙的变动会使纳米线弯曲而产生电力。 

    去年11月,王教授在一层聚合物中嵌入了氧化锌纳米线,结果产生了50毫伏的电势,这是在微型传感器供电技术的开发上向前迈出的重要一步。 

    王中林希翼,这些发电机最终能被织入纤维中,这样的一件衬衣所发出的电力足以给iPod这样的随身便携设备充电。当然,目前纳米发电机的输出功率太低,还做不到这一点。王教授说,这需要200毫伏甚至更多的电势,他计划通过层叠纳米线的方法来实现,不过这还需要经过5年到10年的精心设计。 

    与此同时,王中林已展示了新型纳米传感器的首个元件。他所称的纳米压电技术利用了这样的事实,即氧化锌纳米线既能展现出压电效应,同时又是半导体。第一个特性使得氧化锌纳米线扮演机械传感器的角色,因为它们会对机械应力作出反应产生电力;第二个特性则意味着,它们可用于制作集成电路的基本元件,包括晶体管和二极管。不像传统的电子元件,纳米压电元件不需要外部电源,它们暴露在给纳米发电机供电的同样的机械应力下时,自身就能发电。 

     一旦将纳米压电元件从外接电源的桎梏中解放出来,就有可能开辟多种实际应用。集成有纳米发电机的一个纳米压电助听器就可以用到多根纳米线,每一根可调谐到各种声波的不同振动频率。纳米线将声波转换成电信号并进行处理,以便它们能直接传送给大脑中的神经元。这样植入的神经假体不仅比传统助听器更紧凑、更灵敏,而且还无需因更换电池而拆除。纳米压电传感器也可用于检测飞机发动机中的机械应力,只需几个纳米线元件就能监测压力、处理信息并给机上电脑通报相关数据。无论是在身体中还是在空中,纳米设备最终将遍布澳门新葡萄京所有网站周围的世界。

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