水力发电早已不是什么新鲜事。利用水位落差，将位于高处的河流、湖泊流至低处时所包含的势能，通过水轮机、发电机产生电能，是一种可再生能源。
三峡大坝水力发电站
宏观势能转换为电能很好理解，不过你可曾想过，一些微观能量汇集起来，也能为人类产生巨大的供电量呢？例如，一颗下落的雨滴。
最近，香港城市大学科学家领导的研究小组就开发了这样一种基于液滴的发电机（DEG）。他们的研究证明，从15厘米的高度释放的一滴100微升（1/10000升）的水，可以产生超过140V的电压，产生的功率可以点亮100个小型LED灯泡。
液体也能摩擦生电
这项研究是由城大机械工程系的王钻开教授，内布拉斯加大学林肯分校的曾晓成教授、中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所的首席科学家王中林教授共同领导的。
想要了解这项研究，就不得不提及一个重要的概念：摩擦电效应。
塑料梳子摩擦头发之后可以吸起碎纸片，这个实验不少人都做过。实际上，不只是固体摩擦会发生起电现象，固、液、气中的任意两种物质，无需摩擦，只需要接触即可起电。例如，在自然界中下落的雨滴往往就是携带负电荷的。
梳子摩擦后可以吸起小纸片，这个是不是小学实验课大家都有做过？
不过，由于接触起电过程非常复杂，并且一直以来缺乏在纳米尺度上的研究工具等观原因，科学家们对这一现象本质的理解一直不是很充分。直到2012年，王中林院士团队发明了摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerators, TENG）并对接触起电在纳米尺度上进行深入研究，才从理论和实验上揭开了这一现象的本质。
他的研究证明：接触起电是电子主导的电荷转移过程。当原子间距处于斥力区，电子云发生交叠，电子才会在两种物质间发生转移。
电子云势阱模型
此外，王中林还提出了固液界面双电层形成的根源以及接触起电的普适性模型。
固液界面形成双电层的两步过程
基于以上理论基础，摩擦纳米发电机问世：基于摩擦电效应的常规液滴能量产生器，可以在液滴撞击表面时产生由接触带电和静电感应带电。然而，在表面上产生的电荷量受到界面效应的限制，能量转换效率非常低。
电能转换效率的突破
为了提高转换效率，研究团队花了两年时间开发液滴发电机。它的瞬时功率密度可以达到50.1 W / m 2，是不使用类似FET的设计的其他同类设备的数千倍。并且能量转换效率明显更高。
城大的王教授指出，这项发明有两个关键因素。首先，研究小组发现撞击在驻极体材料上具有准永久电荷的PTFE上的连续液滴，为高密度表面电荷的积累和存储提供了一条新途径。他们发现，当水滴连续撞击PTFE表面时，产生的表面电荷将累积并逐渐达到饱和，这一新发现克服了先前工作中遇到的低电荷密度瓶颈。
PTFE表面电荷量随着液滴撞击逐渐增加，最终达到饱和
其设计的另一个关键特征是与FET类似的独特的场效应晶体管结构。
该设备包括一个铝电极和一个铟锡氧化物（ITO）电极，上面沉积有PTFE膜。PTFE / ITO电极负责电荷的产生，存储和感应。
这种结构与场效应晶体管结构（FET三极管）很类似。当下落的水滴撞击并散布在PTFE / ITO表面上时，自然会“桥接”铝电极和PTFE / ITO电极，与FET中的栅极门有同样的作用，从而将原始系统转换为闭环电路。
液滴发电机设计
通过这种特殊设计，可以通过连续的液滴撞击在PTFE上积累高密度的表面电荷。同时，当散布的水连接两个电极时，PTFE上存储的所有电荷都可以完全释放以产生电流，瞬时功率密度和能量转换效率都高得多。
发电过程
综合以上两点突破，新型的液滴发电机的发电过程分为三步：
1）通过重复液滴撞击PTFE表面让其捕获并稳定存储大量静电荷，最终形成很高的表面电荷密度。
2）动态的水滴则与FET中的栅极门有着异曲同工之妙，当水滴铺展至接触Al电极时，整个装置便形成闭合的回路，电荷得以在ITO电极和Al电极之间发生转移，并输出电能。
3）整个发电装置就回到原始状态，形成一个完全可逆，重复工作的回路。随着反复的液滴撞击与脱离，积存在ITO上高密度电荷(由PTFE表面电荷静电感应形成)得以在ITO电极和Al电极之间反复流动。
液滴撞击过程中的电荷转移
最终的实验表明，从15厘米的高度释放一滴100微升（1/10000升）的水可以产生超过140V的电压，产生的功率可以点亮100个小型LED灯泡。
400个LED灯珠连续不断地被四个液滴装置点亮
王中林教授补充说，瞬时功率密度的提高不是由附加能量引起的，而是由水本身动能的转换引起的。
液滴下落到一定材质的表面时，会自然地旋转产生能量
“下降的水所产生的动能是由于重力产生的，因此可以被认为是可再生资源，我们应该更好地利用它。”
新能源助力可持续发展
王教授希望这项研究的成果将有助于收集水能，以应对全球可再生能源短缺的问题。他补充说：“用雨滴代替石油和核能发电可以促进世界的可持续发展。”
他认为，从长远来看，新设计可以应用于并安装在液体与固体接触的不同表面上，以充分利用水中的低频动能。从轮渡的船体表面到伞的表面，甚至在水壶内部都可以发生。
也许在不久的将来，大规模集成的新型液滴发电机会出现在窗户、屋顶、海边，收集着这些无处不在的能源，为解决人类日渐枯竭的能源问题做出贡献。
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