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能量存储:基于全新原理的“纳米弹簧”
    时间:2011-4-15     点击率:31572

   
  编者按:纳米科技是当前科技的一个前沿领域,吸引着国内外诸多学者的关注。西安交通大学丁向东等关于纳米弹簧的研究结果已发表在2010年5月12日的“纳米快报”(Nano Letter)上。我们转载相关的介绍,以飨读者。


能量存储:基于全新原理的“纳米弹簧”

丁向东 孙军
(金属材料强度国家重点实验室,西安交通大学)


  自然界中存在着各式各样的能量,大至我们身边流动的空气和水,小至生物体内分子的运动,但是这些能量往往需要转换成相应的势能才能实现存储。如果把风能或者流水转换成电能,进而利用蓄电池转化为化学能进行存储,在需要的时候,则把化学能转化为电能并进一步转换为机械能。显然这种多步能量存储与释放的效率是作常低的。在很多情况下,人们也可以把这些能量是对外界所做的功(机械能)转化为弹性能进而存储起来。例如各种弹簧装置、玩具以及钟表的发条等。这种机械能与弹性能之间的转换是通过弹簧材料内部原子间距的变化来实现的。也就是说,当外力作用到弹簧的时候,弹簧材料的原子间距被拉长或缩短,从而将外力所做的功转换成了弹簧的弹性能;而当弹簧被释放的时候,弹簧材料内部的原子间距则会恢复到原始距离,从而将弹性能释放为对外界所做的功。尽管机械能与弹性能之间的转换可以几乎没有损耗,但是弹性变形的材料所能存储的能是密度相对很低〔如钟表发条存储的能量密度仅为0。6J/cm 3〕。
   如何提高能量的转换效率以及材料存储的能量密度是当前材料科学理论和实验研究领域共同关注的问题。特别是随着信息、生物以及微纳电子元器件与微纳机电系统{ M/NEMS}等技术的进步,所用材料外形特征尺寸的下限也逐渐减小至亚微米甚至纳米量级,人们越来越需要寻找可以在纳米尺度下高效存储和转换机械能的新材料与新万法。
  我们利用分子动力学的手段深人研究了钨金属单晶纳米线的变形行为,发现钨金属纳米线在拉伸时会发生大范围的等应力孪晶变形,井表现出与已知面心立方金属(如Cu,Ni)纳米线相似的超弹性行为。但是令人惊奇的是,钨金属纳米线的加/卸载应力--应变曲线在很大的应变范围内几乎是重合的,也就是说在一个很大的应变区间( 大于30%),系统的能量在加载和卸载循环过程中几乎没有损耗。我们进一步分析发现,这种低损耗来源于钨金属李晶界的本征移动能力一-钨金属李晶界共有非常低的移动阻力。
   基于上述认识,我们设计出了以表面能为媒介,高效存储和释放机械能的新装置—纳米弹簧(图l所示.其有预设孪晶界的纳米线)。与块体弹簧不同,我们提出的纳米弹簧是通过表面原子的重构来实现能量的存储与释放的。该装置在加载和卸载过程中的表现就像手风琴一样:在加载过程中,车孪晶界向表面能高的孪晶取向移动,从而把外力所做的功转换为纳米装置的表面能而存储起来;在卸载的时候,在存储的表面能的驱动下,孪晶界移向表面较低的孪晶取向,从面将存储表面能转换为机械能。这种纳米弹簧具有显著优于块体弹簧的性能,
   以截面宽度为2. 3nm的纳米弹簧为例,其存储的能量密度超过1000J/cm3.〔是钟表发条的1600倍以上〕,而且其能量转换效率高达98%〔也就是说.,经历一个机械能--表面能一机械能的循环.能量损耗仅为2%〕,找们还发现,随着弹簧的横截面宽度的增大,装置的能量转换效率虽然有所减小,但是在纳米线的横截面宽度不大于5nm的条件下,其能量转换效率仍然可以保持在95%以上。


  为了提高纳米弹簧存锗的能量,我们还提出了将纳米钱井联的办法。利用多个纳米线组成的纳米线阵列,不仅可以几乎线性地增如系统存储的能量,而且可以保持很高的能转换效率。
  与其它的传统储能材料(例如压电,铁磁、高分子材料以及形状记忆合金)相比,我们提出的纳米弹簧具有明显的优势:压电与铁磁材料虽然具有较高的能量转换效率,但是其能量密逻和应变很小;高分子材料虽然具有较大的应变和能量转换效率,但是其驱动力和能量密度很低;虽然形状记忆合金具有较好的综合性能,但是如何提高其能量转换效率则是个巨大的难题。
   本研究为今后能量存储材料与存储装置的开发提出了新的概念,有望在高效率能量存储与释放方面实现新的实质性突破,并对微/纳电子元器件与微/纳机电系统的设计具有重要的实际指导意义;同时本研究发现的表面能驱动的相转变行为对理解纳米尺度下材料的相变行为以及功能材料的性质也具有一定的意义。


                  ( 转载自《中国基础科学》2010年第5期)