納米壓電材料有望使未來(lái)手機(jī)不充電

   想象一下吧，你每天使用的手機(jī)將不再使用電池了，你也不用費(fèi)神為手機(jī)電池充電了，只需你發(fā)出一點(diǎn)點(diǎn)聲音，所產(chǎn)生的聲波就會(huì)轉(zhuǎn)變成手機(jī)運(yùn)行的電能。現(xiàn)在這個(gè)想象似乎離我們?cè)絹?lái)越近了。近日，美國(guó)物理學(xué)協(xié)會(huì)出版的《物理評(píng)論》雜志刊登了德克薩斯大學(xué)化學(xué)工程系教授卡金的最新成果，他和他的研究團(tuán)隊(duì)研制出納米級(jí)壓電材料，這種材料可以用在低能耗電子產(chǎn)品中代替電池，將聲波變成驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品運(yùn)行的能量。 

　　壓電材料及其運(yùn)用 

　　壓電體是指這樣一類材料，當(dāng)它們受到外加機(jī)械壓力時(shí)，內(nèi)部便能產(chǎn)生電壓。此外，壓電體在電場(chǎng)的作用下，其物理特性也會(huì)發(fā)生變化。目前常見(jiàn)的壓電體為晶體或陶瓷，水晶(α-石英)是一種有名的壓電晶體?？ń鸾忉屨f(shuō)，自供電技術(shù)的關(guān)鍵是壓電體。“壓電體”的英文單詞“piezoelectrics”源于希臘文“piezein”，其含意是“topress”(施壓)。 

　　壓電材料早在1880年就被法國(guó)科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了，所以并不是一個(gè)新概念，早在第一次世界大戰(zhàn)中，壓電材料就已經(jīng)用在聲波導(dǎo)航、測(cè)距和定位裝置中了。在當(dāng)今社會(huì)，麥克風(fēng)和石英手表中都有壓電材料。安裝在麥克風(fēng)上的壓電晶片會(huì)把聲音的振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓Ｂ暡ㄒ慌龅綁弘姳∑?，就?huì)使薄片兩端電極上產(chǎn)生電荷，其大小和符號(hào)隨著聲音的變化而變化。這種壓電晶片上電荷的變化，再通過(guò)電子裝置，可以變成無(wú)線電波傳到遙遠(yuǎn)的地方。這些無(wú)線電波為收音機(jī)所接收，并通過(guò)安放在收音機(jī)喇叭上的壓電晶體薄片的振動(dòng)，又變成聲音回蕩在空中。是不是可以這樣說(shuō)，麥克風(fēng)中的壓電晶片能“聽(tīng)得見(jiàn)”聲音，而揚(yáng)聲器上的壓電晶體薄片則會(huì)“說(shuō)話”或“唱歌”。 

　　汽車中的點(diǎn)火裝置也含有壓電材料，當(dāng)按下點(diǎn)火按鈕的時(shí)候，按壓會(huì)接觸到壓電晶體并對(duì)其產(chǎn)生壓力，收到壓力的壓電晶體就會(huì)產(chǎn)生足夠的電壓，電壓產(chǎn)生的火花能夠點(diǎn)燃?xì)怏w，發(fā)動(dòng)汽車。 

　　甚至在歐洲的一些夜總會(huì)內(nèi)也安裝了含有壓電材料的特制地板，這種地板能夠吸收夜總會(huì)顧客跳舞時(shí)舞步所產(chǎn)生的能量，并將這些能量轉(zhuǎn)換成電能，為夜總會(huì)中的電燈提供能量。據(jù)報(bào)道，香港體育館準(zhǔn)備利用這種技術(shù)，將前來(lái)運(yùn)動(dòng)的人員腳步聲轉(zhuǎn)換成電能，維持館內(nèi)的電燈和音樂(lè)播放器所需的能量。 

　　材料雖小影響非凡 

　　隨著壓電材料運(yùn)用越來(lái)越廣泛，科學(xué)家們想到將其用于低能耗電子產(chǎn)品中，但傳統(tǒng)的壓電材料都太“大”，于是研制納米級(jí)別的壓電材料成為科研人員的全新領(lǐng)域。 

　　卡金教授和休斯頓大學(xué)的同行合作，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，厚度為21納米左右的壓電材料轉(zhuǎn)化聲波的能力最強(qiáng)，能夠?qū)⒙暡芰哭D(zhuǎn)化成電能的效率提高百分之百。而且由于納米材料的敏感性，比21納米大或小的其他級(jí)別納米材料都不能達(dá)到這么高的能量轉(zhuǎn)換效率。 

　　壓電材料界的專家表示，卡金的這一新發(fā)現(xiàn)將會(huì)對(duì)低能耗電子產(chǎn)品帶來(lái)極大影響，這一新材料將會(huì)在手機(jī)、筆記本電腦、專用通信裝置以及其他普遍消費(fèi)的電子產(chǎn)品如mp3播放器上大展身手，許多消費(fèi)者因?yàn)閷?duì)電池充電后使用時(shí)間的不滿，而希望有東西能夠取代這些電池。 

　　這種壓電材料還可能用于戰(zhàn)場(chǎng)。在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中，戰(zhàn)士們通常會(huì)攜帶很多先進(jìn)的電子設(shè)備，比如爆炸物探測(cè)裝置，一旦其內(nèi)的電池沒(méi)有電了，戰(zhàn)士們就無(wú)法工作，而如果在傳感器中裝著納米壓電材料，通過(guò)采集攜帶裝置戰(zhàn)士腳步的能量，并將其轉(zhuǎn)換成電能，探測(cè)任務(wù)就會(huì)順利完成了，這種自發(fā)電技術(shù)將會(huì)在戰(zhàn)爭(zhēng)中普遍使用。 

　　所以卡金的納米壓電材料雖然很小，只有21納米厚，但其影響卻是非同小可。 

　　卡金認(rèn)為，在壓電材料的應(yīng)用不斷發(fā)展時(shí)，壓電材料在納米級(jí)的研究卻是一個(gè)相當(dāng)新的嘗試，人們需要考慮眾多不同和復(fù)雜的問(wèn)題。打個(gè)比方，如果讓你將研究的內(nèi)容從電話亭大小的物體轉(zhuǎn)至頭發(fā)大小的材料，那么你自然會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的難處。他表示，事實(shí)上，研究對(duì)象尺寸發(fā)生變化后，其對(duì)外界條件的反應(yīng)特性也隨之不同。在小尺寸材料的研究中，這些變化必須要納入考慮的范圍。 

　　卡金說(shuō)：“當(dāng)材料縮小到納米級(jí)尺寸時(shí)，它們的某些性能特征出現(xiàn)了極大的變化。壓電材料就具有這樣的變化特征。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)它們的厚度介于20納米至23納米之間時(shí)，其壓電效率提高了100%%。”他表示，目前他們?cè)谘芯炕咀匀灰?guī)律，并試圖將之應(yīng)用于更理想的工程材料的開(kāi)發(fā)。此外，他們還將了解壓電材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理成分，以便采用改變材料結(jié)構(gòu)的手段來(lái)提高它們的性能。