北京納米能源所揭示納米發(fā)電機的理論源頭

　　我們今天用的手機是無線通信的典型代表，而無線通信是基于電磁波來傳播信息。那電磁波最初是如何被人們認(rèn)識到的呢？這可以追溯到1861年偉大的英國科學(xué)家麥克斯韋提出的麥克斯韋方程組。由于其簡潔、完美和對稱性，該方程組在物理學(xué)十大方程中被譽為第一大方程組。當(dāng)麥克斯韋根據(jù)當(dāng)時掌握的實驗證據(jù)推導(dǎo)這些方程式時，例如高斯定理、法拉第電磁感應(yīng)定律、安培定律等，他發(fā)現(xiàn)電荷的連續(xù)性方程沒有得到滿足，于是他就大膽地在方程組里引進(jìn)了位移電流的概念。根據(jù)這個完全是理論構(gòu)想出來的“電流”，麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在。而在1886年相關(guān)實驗證明了其理論的正確性，隨后英國人提出廣播“radio”的概念，并于1901年首次利用無線電波實現(xiàn)了穿越大西洋的通訊。如果要追根溯源的話，現(xiàn)代人類社會快速發(fā)展所需的通信和微電子技術(shù)其實都來自于麥克斯韋方程組。現(xiàn)在人們普遍所知的電磁波譜，其波段包括X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、太赫茲波，以及無線電波，這一切都?xì)w功于麥克斯韋方程組給出的理論支撐，我們才會有現(xiàn)代的收音機、電視、雷達(dá)和無線通訊等技術(shù)。物理學(xué)歷史上認(rèn)為牛頓的經(jīng)典力學(xué)打開了機械時代的大門，而麥克斯韋電磁學(xué)理論則為信息時代奠定了基石。1931年，愛因斯坦評價麥克斯韋的建樹“是牛頓以來，物理學(xué)最深刻和最富有成果的工作。”麥克斯韋方程組以完美、對稱和準(zhǔn)確震撼了世世代代的科學(xué)家，它在電磁學(xué)中的地位，如同牛頓運動定律在力學(xué)中的地位一樣。

　　麥克斯韋的位移電流由兩項組成：

　　JD = ∂D/∂t =ε0 ∂E/∂t + ∂P/∂t

　　位移電流不同于常規(guī)觀察到的自由電子傳導(dǎo)的電流，而是由于時間變化的電場（上式第一項）再加上隨時間變化的原子束縛電荷的微小運動和材料中的電介質(zhì)極化（上式第二項）。位移電流的第一項不但統(tǒng)一了電場和磁場，同時預(yù)言了電磁波的存在，奠定了無線通訊的物理基礎(chǔ)。在一般各向同性的介質(zhì)中，第二項和第一項合并起來，位移電流就變?yōu)镴D =ε∂E/∂t，因此，一般人就把第二項給忘記了，而且教科書中也不再討論由極化引起的電流。然而在具有表面極化電荷存在的介質(zhì)，例如壓電材料和摩擦起電中，第二項最近被發(fā)現(xiàn)是納米發(fā)電機的根本理論基礎(chǔ)和來源，展現(xiàn)了這個被“遺忘”的經(jīng)典物理學(xué)中的一個重大概念在新時代的輝煌應(yīng)用。

　　壓電納米發(fā)電機和摩擦納米發(fā)電機是中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學(xué)家、佐治亞理工學(xué)院教授王中林分別于2006年和2012年所發(fā)明的，它們可以實現(xiàn)從機械能到電能的轉(zhuǎn)換。壓電納米發(fā)電機是利用壓電極化電荷和所產(chǎn)生的隨時間變化的電場來驅(qū)動電子在電路中的流動，而摩擦納米發(fā)電機是利用兩種不同材料接觸所產(chǎn)生的表面靜電荷所導(dǎo)致的隨時間變化的電場來驅(qū)動電子的流動。近日，王中林撰文，首次揭示了納米發(fā)電機的理論源頭來自于麥克斯韋的位移電流的第二項，并由此推導(dǎo)出壓電納米發(fā)電機和摩擦納米發(fā)電機的基本輸運方程。相關(guān)綜述文章《論麥克斯韋位移電流在能源與傳感中的應(yīng)用：納米發(fā)電機的源頭》發(fā)表于最新一期的《今日材料》（Materials Today，DOI: 10.1016/j.mattod.2016.12.001）。王中林的論文找到了納米發(fā)電機的根源，使得它和經(jīng)典物理的“神方程”聯(lián)系在一起，貫通了原始的理論、現(xiàn)在的技術(shù)和未來的應(yīng)用。

　　在過去的20世紀(jì)里，現(xiàn)代社會通過廣播和通訊衛(wèi)星建立起來的經(jīng)濟(jì)、文化和政治上的廣泛聯(lián)系都直接產(chǎn)生于麥克斯韋方程組中包含位移電流的判斷。這個著名且天才的方程組就像根基穩(wěn)固的大樹，孕育出了枝繁葉茂碩果累累的現(xiàn)代人類社會。從1886到1930年代，位移電流第一項推導(dǎo)出的電磁波理論、電磁感應(yīng)現(xiàn)象催生出了天線廣播、電視電報、雷達(dá)微波、無線通信和空間技術(shù)。在1960年代，電磁統(tǒng)一產(chǎn)生光的理論，又給激光的發(fā)明和光子學(xué)的發(fā)展提供了重要的物理理論基礎(chǔ)。此外，飛機、船舶和宇宙飛船的控制與導(dǎo)航，電力和微電子工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步都離不開麥克斯韋。而從2006年至今，位移電流第二分量基于媒介極化的特點催生出了壓電納米發(fā)電機和摩擦納米發(fā)電機的興起，將極大地推動新能源技術(shù)和自供電傳感器技術(shù)的發(fā)展，使納米發(fā)電機能源系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)色能源甚至大數(shù)據(jù)等影響未來人類發(fā)展的重大方面得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過150余年的時空印記，追本溯源，納米發(fā)電機是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術(shù)后在能源與傳感方面的另一重大應(yīng)用。在可以預(yù)見的未來，這棵汲取物理學(xué)第一大方程組營養(yǎng)的大樹，將愈發(fā)茁壯成長，引領(lǐng)技術(shù)革新，深刻改變?nèi)祟惿鐣?o:p>

　　圖：從麥克斯韋位移電流的兩個分量導(dǎo)出的主要基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)和工業(yè)影響。左側(cè)是衍生的電磁波理論影響了上世紀(jì)通訊技術(shù)的發(fā)展；右側(cè)是位移電流衍生的新技術(shù)用于能源和傳感器，極大可能會影響未來世界的發(fā)展。