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纳米压电材料有望替代低能耗电池

2019-10-09 19:01:24来源:励志吧0次阅读

想象一下吧,你每天使用的手机将不再使用电池了,你也不用费神为手机电池充电了,只需你发出一点点声音,所产生的声波就会转变成手机运行的电能。现在这个想象似乎离我们越来越近了。近日,美国物理学协会出版的《物理评论》杂志刊登了德克萨斯大学化学工程系教授卡金的最新成果,他和他的研究团队研制出纳米级压电材料,这种材料可以用在低能耗电子产品中代替电池,将声波变成驱动产品运行的能量。  压电材料及其运用  压电体是指这样一类材料,当它们受到外加机械压力时,内部便能产生电压。此外,压电体在电场的作用下,其物理特性也会发生变化。目前常见的压电体为晶体或陶瓷,水晶(α-石英)是一种有名的压电晶体。卡金解释说,自供电技术的关键是压电体。“压电体”的英文单词“piezoelectrics”源于希腊文“piezein”,其含意是“topress”(施压)。  压电材料早在1880年就被法国科学家首次发现了,所以并不是一个新概念,早在第一次世界大战中,压电材料就已经用在声波导航、测距和定位装置中了。在当今社会,麦克风和石英手表中都有压电材料。安装在麦克风上的压电晶片会把声音的振动转变为电流的变化。声波一碰到压电薄片,就会使薄片两端电极上产生电荷,其大小和符号随着声音的变化而变化。这种压电晶片上电荷的变化,再通过电子装置,可以变成无线电波传到遥远的地方。这些无线电波为收音机所接收,并通过安放在收音机喇叭上的压电晶体薄片的振动,又变成声音回荡在空中。是不是可以这样说,麦克风中的压电晶片能“听得见”声音,而扬声器上的压电晶体薄片则会“说话”或“唱歌”。  汽车中的点火装置也含有压电材料,当按下点火按钮的时候,按压会接触到压电晶体并对其产生压力,收到压力的压电晶体就会产生足够的电压,电压产生的火花能够点燃气体,发动汽车。  甚至在欧洲的一些夜总会内也安装了含有压电材料的特制地板,这种地板能够吸收夜总会顾客跳舞时舞步所产生的能量,并将这些能量转换成电能,为夜总会中的电灯提供能量。据报道,香港体育馆准备利用这种技术,将前来运动的人员脚步声转换成电能,维持馆内的电灯和音乐播放器所需的能量。   材料虽小影响非凡  随着压电材料运用越来越广泛,科学家们想到将其用于低能耗电子产品中,但传统的压电材料都太“大”,于是研制纳米级别的压电材料成为科研人员的全新领域。  卡金教授和休斯顿大学的同行合作,通过研究发现,厚度为21纳米左右的压电材料转化声波的能力最强,能够将声波能量转化成电能的效率提高百分之百。而且由于纳米材料的敏感性,比21纳米大或小的其他级别纳米材料都不能达到这么高的能量转换效率。  压电材料界的专家表示,卡金的这一新发现将会对低能耗电子产品带来极大影响,这一新材料将会在手机、笔记本电脑、专用通信装置以及其他普遍消费的电子产品如mp3播放器上大展身手,许多消费者因为对电池充电后使用时间的不满,而希望有东西能够取代这些电池。  这种压电材料还可能用于战场。在现代化战争中,战士们通常会携带很多先进的电子设备,比如爆炸物探测装置,一旦其内的电池没有电了,战士们就无法工作,而如果在传感器中装着纳米压电材料,通过采集携带装置战士脚步的能量,并将其转换成电能,探测任务就会顺利完成了,这种自发电技术将会在战争中普遍使用。  所以卡金的纳米压电材料虽然很小,只有21纳米厚,但其影响却是非同小可。  卡金认为,在压电材料的应用不断发展时,压电材料在纳米级的研究却是一个相当新的尝试,人们需要考虑众多不同和复杂的问题。打个比方,如果让你将研究的内容从电话亭大小的物体转至头发大小的材料,那么你自然会发现其中的难处。他表示,事实上,研究对象尺寸发生变化后,其对外界条件的反应特性也随之不同。在小尺寸材料的研究中,这些变化必须要纳入考虑的范围。  卡金说:“当材料缩小到纳米级尺寸时,它们的某些性能特征出现了极大的变化。压电材料就具有这样的变化特征。我们发现当它们的厚度介于20纳米至23纳米之间时,其压电效率提高了100%%。”他表示,目前他们在研究基本自然规律,并试图将之应用于更理想的工程材料的开发。此外,他们还将了解压电材料的化学结构和物理成分,以便采用改变材料结构的手段来提高它们的性能。

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