水佔據了地球表面70%的面積，它不僅支撐著我們的生活，而且還可以作為一種可再生和清潔的能源。水以多種形式出現，包括雨滴，河流，海浪，潮汐，蘊藏著豐富的能量（全世界約75×1015W）。僅僅以雨滴為例，它蘊藏了非常可觀的能量，卻未得到重視。如能收集利用，即可成為太陽能電池的有效補充。如何利用雨滴撞擊與聚並過程所釋放的動能和表面能，並與太陽能電池或其他能量轉換材料和器件集成，不僅是能源科技的重大科學問題，而且有廣闊的應用前景。
4滴水瞬間點亮400盞LED小燈泡
香港城市大學機械工程系王鑽開教授，美國內布拉斯加大學林肯分校曾曉成教授和中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士合作，提出一種三極管型水滴發電機（droplet-based electricity generator, DEG），可以高效的將水滴落下時的動能轉化為電能。4滴體積為100微升的水滴從15釐米的高度釋放，可以瞬間點亮400盞LED小燈泡。相關論文以“A droplet-based electricity generator with highinstantaneous power density”為題，今日發表在國際頂尖期刊Nature上。論文的共同第一作者是香港城大機械工程學系的徐王淮、鄭煥璽、周曉峰 （現為華東師範大學副教授），以及美國內布拉斯加大學林肯分校的劉源。其他合作者包括中國科學技術大學的徐曉嶸教授，香港城大能源及環境學院梁國熙教授、機械工程學系楊徵保博士、博士後研究員張超博士和博士生宋雨欣，以及來自電子科技大學的鄧旭教授。
基於水滴撞擊聚四氟乙烯（PTFE）材料表面，PTFE材料表面電荷會逐漸增多直到飽和，研究團隊設計出了這種類似於三極管結構的獨特水滴發電機，如圖一所示，表層是負責產生並儲存電荷的PTFE，外加一個鋁（Al）電極，下層是作為另外一個電極的銦錫氧化物（ITO）。
圖一：a.水滴發電機的構造模型圖; b.水滴發電機的實物圖。
水滴從高處落下，首先在PTFE表面鋪展，然後收縮，直到脫離。當水滴在PTFE表面觸及鋁電極時，鋁電極和PTFE之間的電勢差讓水中的正負離子發生定向流動，電路導通，產生電流，直到完全脫離（如圖二所示）。這裡，水滴類似於三極管結構中的柵極。如此週而復始，
隨著水滴不停的降落，可以持續而穩定的產生電流。單個DEG的輸出電壓可達150伏，輸出電流為270微安，相比於傳統的利用界面效應的發電機相比，相同實驗條件下，DEG的輸出電壓和電流提升了約300倍和2600倍（如圖三所示）。DEG的瞬時功率密度可達50.1瓦每平方米，是傳統設計的上千倍。因此，DEG提供了未來實際應用的可能性。
圖二：水滴在發電機表面滑行過程中電荷的變化。
圖三：相同實驗條件下，DEG和傳統的利用界面效應的發電機的輸出電壓和電流對比。
另外，DEG的厚度僅為約0.5毫米，相當於10根頭髮絲的厚度，而且透明、光滑，對高溼度、低溫等多種極端環境，均有較強的抵抗能力，將來可以靈活的將DEG廣泛的集成在很多材料或者設備上，比如，雨傘、路燈、屋頂等等，可以在黢黑的雨夜為人們照明或者為家用電器提供電能。不久的將來，也許可以讓DEG利用海洋中的波浪來發電，將海洋中蘊藏的巨大藍色能源通過DEG設備轉化成可以利用的電能，輸送到千家萬戶，點亮萬家燈火。
https://www.nature.com/articles/s41586-020-1985-6
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