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編者按：浙江大學(xué)研究團(tuán)隊通過紗線表面功能化，將摩擦納米發(fā)電機(jī)依附在紗線上，織成智能化農(nóng)用紡織品，利用雨水沖刷時的電子轉(zhuǎn)移與流動產(chǎn)生電流，從而源源不斷地為智慧農(nóng)業(yè)供能。



功能化紗線的制備流程及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用場景

光照強(qiáng)度、溫度濕度、鹽堿度……通過農(nóng)業(yè)信息智能感知技術(shù)，可以將作物生長相關(guān)的生理指標(biāo)“一網(wǎng)打盡”。

實時監(jiān)測這些指標(biāo)需要電力驅(qū)動，然而田間地頭常常難以鋪設(shè)管線，此外，電池續(xù)航能力有限和污染問題也比較突出。為解決此問題，浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院智能生物產(chǎn)業(yè)裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(IBE)的平建峰研究員等提出，可以從農(nóng)業(yè)環(huán)境中挖掘自然能源并將其高效轉(zhuǎn)化為電能。

該研究團(tuán)隊首次將摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)用紡織品中，并對降雨時雨滴能進(jìn)行收集，通過能量轉(zhuǎn)化獲取電能。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《納米能源》(Nano Energy)。

從自然環(huán)境中挖掘能源

南方地區(qū)經(jīng)常暴雨成災(zāi)，造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的巨大損失。農(nóng)用紡織品在大棚設(shè)施中最為常見，它能夠遮陰擋雨，保護(hù)農(nóng)作物。

如何從農(nóng)業(yè)環(huán)境中挖掘能源?研究團(tuán)隊通過紗線表面功能化，將摩擦納米發(fā)電機(jī)依附在紗線上，織成智能化農(nóng)用紡織品，利用雨水沖刷時的電子轉(zhuǎn)移與流動產(chǎn)生電流，從而源源不斷地為智慧農(nóng)業(yè)供能。

平建峰介紹道，這個研究靈感來自仲夏時節(jié)一場突如其來的大雨。大雨進(jìn)入來不及關(guān)閉的窗戶，摧殘了窗臺邊的綠植，也引發(fā)了科研人員的思考：“大雨中農(nóng)作物所處的環(huán)境只會更惡劣，我們能不能想辦法變劣為良呢?”

于是，研究團(tuán)隊開始在實驗室模擬各種環(huán)境。數(shù)據(jù)顯示，在9.5牛頓的連續(xù)力作用下，3厘米長的紗線可以產(chǎn)生7.7伏的電壓。以此推斷，裝載摩擦納米發(fā)電機(jī)的紗線做成的大棚布不僅可以成為農(nóng)作物、動物的“保護(hù)傘”，還可以作為雨滴能的收集器。

覆蓋兩層特殊功能材料

為什么雨滴的能量可以轉(zhuǎn)化成電能?“這是因為我們對農(nóng)用紡織品的紗線進(jìn)行了特殊改造。”平建峰解釋道，“科研人員在其表面覆蓋了兩層特殊材料——導(dǎo)電的碳化鈦納米材料和不導(dǎo)電的聚二甲基硅氧烷，它們是構(gòu)成摩擦納米發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵材料。”

聚二甲基硅氧烷是一種常見的高分子聚合物，能夠防水并與環(huán)境中的雨水發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。而碳化鈦感應(yīng)電極，不僅具有高導(dǎo)電性能，還因其高電負(fù)性可以助力表面聚合物搶奪電子。

平建峰介紹說，這兩種材料具有良好的生物相容性，在實現(xiàn)農(nóng)用紡織品原有的保溫、遮陽、水土保持、排水灌溉、種子培育的功能基礎(chǔ)上，還能從自然環(huán)境中源源不斷地獲取能源，為智慧農(nóng)業(yè)提供驅(qū)動力。

也有人對此提出質(zhì)疑，如果沒有降雨，改造后的紗線還收集并提供能源嗎?“雨水不足，我們還可以采集風(fēng)能。”平建峰從摩擦納米發(fā)電機(jī)的原理講起，其動力源既可以是風(fēng)力、水力、海浪等自然能源，也可以是人的行走、手的觸摸、下落的雨滴等隨機(jī)能源，甚至可以是車輪的轉(zhuǎn)動、機(jī)器的轟鳴等垃圾能源。

在這項研究結(jié)果發(fā)布之前，研究團(tuán)隊就已開始著手將摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。團(tuán)隊曾設(shè)計了一種由摩擦納米發(fā)電機(jī)和微型超級電容器組成的集成式自清潔、自充電裝置，它能高效地從雨滴中收集能量并進(jìn)行存儲。

“實驗中，我們將3×7厘米的薄膜器件貼附在植物葉片上，用于收集雨水的能量。模擬自然界中的降雨，經(jīng)過該器件的轉(zhuǎn)化和存儲，可以為商業(yè)化的農(nóng)業(yè)環(huán)境溫濕度傳感器件提供電能。”平建峰介紹道。

助力農(nóng)業(yè)信息無源實時感知

未來，這些被改造的農(nóng)用紡織品建成的大棚通過連接儲能設(shè)備，不僅可以為種植業(yè)和畜牧業(yè)提供保護(hù)，以提高農(nóng)畜產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量，還可以為物聯(lián)網(wǎng)感知器件源源不斷地輸送電能。

因其對環(huán)境沒有破壞，這項技術(shù)可以稱為綠色能源技術(shù)。由此可見，裝載摩擦納米發(fā)電機(jī)的紗線可以說是智慧農(nóng)業(yè)的“無源活水”。但平建峰指出，該紗線的規(guī)模化應(yīng)用推廣尚需時日。

“目前小規(guī)模的制備我們可以實現(xiàn)精準(zhǔn)化，但大規(guī)模制備上還存在一些問題。一方面碳化鈦納米材料的制備成本較高，推廣有難度，未來需要尋找廉價替代材料;另一方面材料的涂覆技術(shù)尚未形成工藝，尤其是對涂覆厚薄有待進(jìn)一步摸索。此外，線路連接、編織方式等都需要進(jìn)行優(yōu)化。”平建峰說。

下一步，研究團(tuán)隊還將通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、編織紗線、管理電路等進(jìn)一步提升該技術(shù)的實用性能，助力實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息無源實時感知，為農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。


原標(biāo)題： 摩擦發(fā)電讓雨滴變身“儲能電站”