新發明模擬雲層閃電 從空氣中獲取電力

美國麻薩諸塞大學阿默斯特分校的研究人員找到了一種通過收集空氣中的水分子來發電的方法，為可依賴的清潔再生能源開啓了一扇大門。

根據5月5日發表在《高級材料》（Advanced Materials）期刊上的一篇論文，可以使用幾乎任何材料製成的設備從空氣中收集電能，只需要在材料上點綴直徑小於100納米（nanometer）的小孔。

「這令人興奮。」該論文首席作者劉曉萌（Xiaomeng Liu，音譯）在一份聲明中說，「我們正在打開一扇從稀薄空氣中獲取清潔電力的大門。」劉是麻省大學阿默斯特工程學院電氣與電腦工程專業的研究生。

該論文描述了如何用比人類髮絲細1千倍的納米孔收集空氣中水分子的固有電荷。這些孔的大小與水分子之間的「平均自由程」長度相同，這是分子在碰撞到另一個水分子之前在空氣中移動的距離。

通過創建一個具有與該距離（100納米）大小相同的微孔設備，研究人員可以收集分子的自然電荷。這種「空氣發點機」或稱Air-gen之所以起作用，是因為孔隙的尺寸很小，這意味著水分子在穿過薄薄的材料層時很容易撞到孔隙的邊緣。在研究所使用的經過特殊設計的分層材料中，這意味著 Air-gen 的上部會比下部受到更多攜帶電荷水分子的轟擊，從而產生類似雲層中的電荷不平衡現象，這是產生電流的基本原理，例如閃電。

「空氣中含有大量電力」，姚軍（Jun Yao，音譯）在聲明中說。姚軍同樣來自阿默斯特分校工程學院，並任職電氣和電腦工程助理教授，是該論文的合著者。「想像一個未來的世界，無論你走到哪裏，都能獲得清潔電力」，他說。「通用的 Air-gen 效應意味著這個未來世界可以成為現實。」

「想想一朵雲，它只不過是一團水滴」，姚說。「其中每一個水滴都含有電荷，當條件合適時，雲可以產生閃電——但我們不知道怎樣從閃電中捕獲電能。我們所做的是創造一個人造小型雲片，讓它持續地發電，更令人震驚的是，這個設備幾乎可以使用任何材料。」

「從空氣中發電的能力——我們之前稱為『空氣發電效應』——被證明是普遍存在的：實際上任何一種材料都可以從空氣中獲取電能，只要它具有某種特性」，姚軍說。

這個想法之前已經嘗試過，但作者表示，這種新設計可以工作更長的時間，所以希望有一天用它來提供可持續的再生能源。

作者希望其突破性發現可以幫助世界各地使用任何材料從空氣中發電。由於空氣總是有些潮濕，這種電力收集器不必像其它形式的可再生能源那樣依賴太陽或風。

「這個想法很簡單」，姚說，「但以前從未被發現。它開啟了各種可能性，你可以想像把一種材料製成的Air-gen用於雨林環境，另一種則用於乾旱地區。」

此外，空氣發電機可以堆疊起來，擴大發電量。作者們說，數以千計的空氣發電機堆疊在一起時，能夠為一般電力設施提供千瓦級的電力。#

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