編者按：納米科技是當(dāng)前科技的一個前沿領(lǐng)域，吸引著國內(nèi)外諸多學(xué)者的關(guān)注。西安交通大學(xué)丁向東等關(guān)于納米彈簧的研究結(jié)果已發(fā)表在2010年5月12日的“納米快報”(Nano Letter)上。我們轉(zhuǎn)載相關(guān)的介紹，以饗讀者。
能量存儲：基于全新原理的“納米彈簧”
丁向東 孫軍
(金屬材料強度國家重點實驗室，西安交通大學(xué))
自然界中存在著各式各樣的能量，大至我們身邊流動的空氣和水，小至生物體內(nèi)分子的運動，但是這些能量往往需要轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的勢能才能實現(xiàn)存儲。如果把風(fēng)能或者流水轉(zhuǎn)換成電能，進(jìn)而利用蓄電池轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)行存儲，在需要的時候，則把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為機械能。顯然這種多步能量存儲與釋放的效率是作常低的。在很多情況下，人們也可以把這些能量是對外界所做的功(機械能)轉(zhuǎn)化為彈性能進(jìn)而存儲起來。例如各種彈簧裝置、玩具以及鐘表的發(fā)條等。這種機械能與彈性能之間的轉(zhuǎn)換是通過彈簧材料內(nèi)部原子間距的變化來實現(xiàn)的。也就是說，當(dāng)外力作用到彈簧的時候，彈簧材料的原子間距被拉長或縮短，從而將外力所做的功轉(zhuǎn)換成了彈簧的彈性能；而當(dāng)彈簧被釋放的時候，彈簧材料內(nèi)部的原子間距則會恢復(fù)到原始距離，從而將彈性能釋放為對外界所做的功。盡管機械能與彈性能之間的轉(zhuǎn)換可以幾乎沒有損耗，但是彈性變形的材料所能存儲的能是密度相對很低〔如鐘表發(fā)條存儲的能量密度僅為0。6J/cm 3〕。
如何提高能量的轉(zhuǎn)換效率以及材料存儲的能量密度是當(dāng)前材料科學(xué)理論和實驗研究領(lǐng)域共同關(guān)注的問題。特別是隨著信息、生物以及微納電子元器件與微納機電系統(tǒng){ M/NEMS}等技術(shù)的進(jìn)步，所用材料外形特征尺寸的下限也逐漸減小至亞微米甚至納米量級，人們越來越需要尋找可以在納米尺度下高效存儲和轉(zhuǎn)換機械能的新材料與新萬法。
我們利用分子動力學(xué)的手段深人研究了鎢金屬單晶納米線的變形行為，發(fā)現(xiàn)鎢金屬納米線在拉伸時會發(fā)生大范圍的等應(yīng)力孿晶變形，井表現(xiàn)出與已知面心立方金屬(如Cu，Ni)納米線相似的超彈性行為。但是令人驚奇的是，鎢金屬納米線的加/卸載應(yīng)力--應(yīng)變曲線在很大的應(yīng)變范圍內(nèi)幾乎是重合的，也就是說在一個很大的應(yīng)變區(qū)間( 大于30%)，系統(tǒng)的能量在加載和卸載循環(huán)過程中幾乎沒有損耗。我們進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這種低損耗來源于鎢金屬李晶界的本征移動能力一-鎢金屬李晶界共有非常低的移動阻力。
基于上述認(rèn)識，我們設(shè)計出了以表面能為媒介，高效存儲和釋放機械能的新裝置—納米彈簧(圖l所示.其有預(yù)設(shè)孿晶界的納米線)。與塊體彈簧不同，我們提出的納米彈簧是通過表面原子的重構(gòu)來實現(xiàn)能量的存儲與釋放的。該裝置在加載和卸載過程中的表現(xiàn)就像手風(fēng)琴一樣：在加載過程中，車孿晶界向表面能高的孿晶取向移動，從而把外力所做的功轉(zhuǎn)換為納米裝置的表面能而存儲起來；在卸載的時候，在存儲的表面能的驅(qū)動下，孿晶界移向表面較低的孿晶取向，從面將存儲表面能轉(zhuǎn)換為機械能。這種納米彈簧具有顯著優(yōu)于塊體彈簧的性能，
以截面寬度為2. 3nm的納米彈簧為例，其存儲的能量密度超過1000J/cm3.〔是鐘表發(fā)條的1600倍以上〕，而且其能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98%〔也就是說.，經(jīng)歷一個機械能--表面能一機械能的循環(huán).能量損耗僅為2%〕，找們還發(fā)現(xiàn)，隨著彈簧的橫截面寬度的增大，裝置的能量轉(zhuǎn)換效率雖然有所減小，但是在納米線的橫截面寬度不大于5nm的條件下，其能量轉(zhuǎn)換效率仍然可以保持在95%以上。
為了提高納米彈簧存鍺的能量，我們還提出了將納米錢井聯(lián)的辦法。利用多個納米線組成的納米線陣列，不僅可以幾乎線性地增如系統(tǒng)存儲的能量，而且可以保持很高的能轉(zhuǎn)換效率。
與其它的傳統(tǒng)儲能材料(例如壓電，鐵磁、高分子材料以及形狀記憶合金)相比，我們提出的納米彈簧具有明顯的優(yōu)勢：壓電與鐵磁材料雖然具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，但是其能量密邏和應(yīng)變很??；高分子材料雖然具有較大的應(yīng)變和能量轉(zhuǎn)換效率，但是其驅(qū)動力和能量密度很低；雖然形狀記憶合金具有較好的綜合性能，但是如何提高其能量轉(zhuǎn)換效率則是個巨大的難題。
本研究為今后能量存儲材料與存儲裝置的開發(fā)提出了新的概念，有望在高效率能量存儲與釋放方面實現(xiàn)新的實質(zhì)性突破，并對微/納電子元器件與微/納機電系統(tǒng)的設(shè)計具有重要的實際指導(dǎo)意義；同時本研究發(fā)現(xiàn)的表面能驅(qū)動的相轉(zhuǎn)變行為對理解納米尺度下材料的相變行為以及功能材料的性質(zhì)也具有一定的意義。
( 轉(zhuǎn)載自《中國基礎(chǔ)科學(xué)》2010年第5期)
