中國科學院外籍院士、中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長王中林

中國科技界非常重視納米科技的創(chuàng)新與發(fā)展，納米領域涌現(xiàn)了很多高質(zhì)量的原創(chuàng)性成果，整體研究水平已經(jīng)走在了世界的前列。比如納米發(fā)電機和壓電電子學兩個領域，中國在國際上是領跑者

山東省大小的海面積產(chǎn)生的電能便可滿足目前全中國的總能耗，而千分之四(0.4%)的海平面面積發(fā)的電就能滿足全世界用。藍色能源的潛力不言而喻

我們做科研，要么能上書架子，在基礎科學上要有成果并成為經(jīng)典科學，自己的發(fā)明可以寫進教科書。要么能上貨架子，真正把成果應用到祖國的大地上去，造福人民。兩個架子都上，那是最好

文 |《瞭望》新聞周刊記者 黃明 劉濟美

能源是人類文明進步的根本動力，也是全球技術變革的決定性因素。進入大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)時代，在傳統(tǒng)的化石能源與可再生能源等大能源之外，人類開始探索微納能源等小能源，以解決物聯(lián)網(wǎng)時代小型器件的自供能問題。

在這個領域，中科院外籍院士、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所創(chuàng)始所長和首席科學家王中林，當屬執(zhí)牛耳者。作為國際納米能源和納米自驅(qū)動系統(tǒng)的主要開創(chuàng)者和奠基人，王中林堪稱納米科技領域最具學術影響力的科學家。

近年來，王中林先后斬獲10余項國際性獎項。其中，他2018年7月所獲的世界能源和環(huán)境領域最高獎埃尼獎和2019年6月所獲的愛因斯坦世界科學獎，均為華人科學家首次獲得。近日，王中林接受《瞭望》新聞周刊專訪表示，以摩擦納米發(fā)電機為核心的海洋藍色能源技術，可以高效地收集海洋波浪能并轉(zhuǎn)化為電能，為人類大規(guī)模利用海洋能源提供了可能，為全世界實現(xiàn)碳達峰、碳中和的偉大目標提供了令人振奮的能源技術路徑。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

未來能源什么樣

《瞭望》：未來能源革命的趨勢是什么？

王中林：能源是我們賴以生存的命脈。能源的利用使我們的生活日新月異，但同時也對我們提出了新的挑戰(zhàn)和更高要求。長期以來，人類賴以生存的化石能源導致了氣候和環(huán)境變化。油、煤燃燒過程的不可逆性，也使人類面臨能源耗竭的困境。

我國的能源特征是多煤、少油、缺氣，目前的電力57.7%來自于煤炭火力發(fā)電，11%來自于可再生能源，即風能、光伏能、生物質(zhì)能等。尋找后化石能源時代的新能源、新的增長點，以保障未來可持續(xù)發(fā)展成為當務之急。

為實現(xiàn)雙碳目標，降低煤炭發(fā)電所造成的二氧化碳釋放是關鍵。到2060年，我國煤炭發(fā)電的占比要降低到7%，可再生能源與分布式能源占比就要達到63%。為了實現(xiàn)這一目標，發(fā)展結合大電網(wǎng)、大能源與微區(qū)網(wǎng)、分布式能源等顛覆性技術勢在必行。從熱力學角度講，能源分布將從聚集型變?yōu)榘l(fā)散型，從有序變?yōu)闊o序，遵循熵增加的原理，即高熵能源。未來，如何解決和利用數(shù)以億計的移動性、變化性、不定性的小能源，這是我們一直的研究方向。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

《瞭望》：什么是納米能源？微納系統(tǒng)研究的意義和價值在哪里？

王中林：納米能源，作為一個全新的研究領域，是指利用納米材料和納米器件來實現(xiàn)高熵能源的高效轉(zhuǎn)換、儲存與利用，從而實現(xiàn)為微納系統(tǒng)提供持久的、不需維護的能源。其應用范圍，包括不限于穿戴式電子設備、健康醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測與保護、安全與安防、機器人和人機界面等。

如今，人類社會已邁入大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)時代，我們開始把目光投向除傳統(tǒng)可再生電能、化石能源等大能源之外的微納能源等小能源。我對納米領域的研究始于1984年，那時納米還不叫納米。后來，2005年開始發(fā)展的基于納米發(fā)電機的高熵能源體系和壓電電（光）子學，成為當今我們領先世界的開創(chuàng)性原創(chuàng)領域。

納米能源與微納系統(tǒng)研究是納米科技中的一個重要組成部分，為物聯(lián)網(wǎng)、機器人和人工智能的發(fā)展提供了新的能源技術，為人類探索和利用能源開辟了新的路徑和方式，前景廣闊。目前，我國納米科技工作者已建立了從環(huán)境和生物系統(tǒng)中，獲取隨機機械能來驅(qū)動移動傳感器的原理和技術路線圖。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

納米發(fā)電機前景廣闊

《瞭望》：什么是摩擦納米發(fā)電機？能分享一下背后的過程和體會嗎？

王中林：摩擦納米發(fā)電機，是一種將環(huán)境中的低頻次、低振幅的機械能量轉(zhuǎn)換為電能的能量采集裝置。

自從2006年世界上最小的發(fā)電機——壓電式納米發(fā)電機問世以來，納米發(fā)電機的概念和應用也有了質(zhì)的飛躍和升華?，F(xiàn)在它已經(jīng)是一個利用麥克斯韋位移電流把機械功高效轉(zhuǎn)為電功的領域，涉及化學、物理、機械原理、電子學，特別是在能源和傳感應用方面，成為跨領域新學科。

我們推導出適用于運動介質(zhì)的擴展型麥克斯韋方程組，在通訊與高分辨電磁波成像等領域有深遠影響。我們的研究成果發(fā)表后，全世界每年有2000篇文章發(fā)表，60個國家和地區(qū)、800多個單元的逾7000名研究人員專注于這一領域。

摩擦納米發(fā)電機，能收集周圍環(huán)境中微小的震動機械能并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，為其他納米器件如傳感器、探測器等提供能量。這種震動機械能普遍存在于自然界以及人們?nèi)粘Ｉ钪?。比如空氣或水的流動、引擎的轉(zhuǎn)動，甚至在人體內(nèi)由于呼吸、心跳或是血液流動帶來的體內(nèi)某處壓力的細微變化，均有可能帶動納米發(fā)電機產(chǎn)生電能。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

因此，納米發(fā)電機的發(fā)明不僅為實現(xiàn)能源系統(tǒng)的微型化帶來了可能。更重要的是，對于實現(xiàn)具有完全無線、可生物植入，以及長時期甚至終生無需照管的納米或微電子器件，納米發(fā)電機也提供了一種理想的電源系統(tǒng)。

摩擦納米發(fā)電機最核心的用途是能源與傳感，在能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、生物醫(yī)學、無線通信和無線傳感等領域都將有廣泛應用，也是我們未來的研究和應用方向。

海洋發(fā)電或成現(xiàn)實

《瞭望》：什么是海洋藍色能源技術？應用前景有哪些？

王中林：海洋中蘊含著波浪能、潮汐能、溫差能等豐富而清潔的可再生藍色能源。海洋能源若實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化利用，將是一種嶄新的綠色能源，可極大滿足人類的能源需求、降低二氧化碳排放，同時帶來世界能源格局的深刻變化并影響經(jīng)濟社會的方方面面。

例如，利用固液界面的接觸起電現(xiàn)象，研制出水能摩擦納米發(fā)電機，可用于對河流、雨滴、海浪的動能收集。摩擦納米發(fā)電機四種基本模式的組合應用，可以高效回收海洋中的動能資源，包括海水的上下浮動以及海浪、海流、海水的拍打。

如果將這些水能摩擦納米發(fā)電機結成網(wǎng)狀放置到海洋中，將會使海水無規(guī)則的運動轉(zhuǎn)變?yōu)樵丛床粩嗟碾娔?，我們團隊將此描述為新型藍色能源。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)做理論測算，每平方公里的海面面積、一米深的水，可以產(chǎn)生十兆瓦級的電能輸出。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

以幅面一平方公里、深度一米的海水為例，每隔10厘米放置一臺球形納米發(fā)電機，然后連成三維網(wǎng)，理論上可持續(xù)發(fā)出近1萬千瓦電，點亮100萬盞電燈。山東省大小的海面積產(chǎn)生的電能便可滿足目前全中國的總能耗，而千分之四(0.4%)的海平面面積發(fā)的電就能滿足全世界用。藍色能源的潛力不言而喻。

利用海洋能源是當今世界能源研究的前沿方向。但由于海洋波浪能開發(fā)成本高、經(jīng)濟效益差，始終制約著其大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)利用和發(fā)展。摩擦納米發(fā)電機通過摩擦起電和靜電感應的耦合將機械能轉(zhuǎn)化為電能，與現(xiàn)有其他發(fā)電技術不同，也使海浪能的收集成為可能。

加速孕育顛覆性技術變革

《瞭望》：你怎么看從0到1？

王中林：面對我國十四五時期及更長時期發(fā)展的迫切要求，科技工作者要更加注重自主創(chuàng)新，實現(xiàn)更多從0到1的突破。即從基礎理論和物理機理本質(zhì)上改頭換面，一旦成功就能實現(xiàn)巨大的技術突破。

從0到1不僅要有長期厚重的知識積累，還要有瞬間的靈感；既需要長期穩(wěn)定堅持做基礎研究，久久為功，又需要聚焦比較優(yōu)勢領域，突出重點；既需要自由探索，也需要從源頭或底層為長遠戰(zhàn)略目標提供支撐。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

我們的未來不是靠預言出來的，而是靠實干干出來的。最優(yōu)秀的科學家要做的，就是實現(xiàn)從0到1的突破。這也是最難的工作，往往需要十年磨一劍。我們近幾年在納米能源領域基礎科學研究中，就實現(xiàn)了幾個從0到1——

拓展了麥克斯韋方程組，奠定了納米發(fā)電機的理論基礎；

統(tǒng)一了摩擦起電（接觸起電）的物理模型，明確了電子躍遷是接觸起電的根本機理，解決了2600年的科學問題；

提出并驗證了跨原子電子躍遷是氣體-液體-固體多相間接觸起電的普適性機理，并首次提出了界面光譜學與接觸起電催化學；

確定了液體-固體接觸中界面電子轉(zhuǎn)移的過程，并提出了形成雙電層結構的兩步走機理模型。這些基礎科學的進展必將帶來技術的變革。

《瞭望》：我國的基礎研究與發(fā)達國家仍有差距，原因主要在哪里？

王中林：在國際上，基礎研究包括基礎科學研究和基礎技術研究兩個層面。我們在提到基礎研究時，關注的往往是基礎技術研究，而不是基礎科學研究。

基礎研究具有規(guī)律性與傳承性，需要經(jīng)過幾代甚至很多代人努力。中國的基礎科學研究起步晚、基礎薄弱，還沒有形成真正重視基礎科學的文化。這是目前中國基礎科學研究與歐美發(fā)達國家存在差距的重要原因之一。

此外，我國基礎研究的經(jīng)費比例偏低，在一定程度上影響了基礎研究的發(fā)展。實現(xiàn)基礎研究的突破，重在打造科學的創(chuàng)新體系，關注科學的傳承性、人才培養(yǎng)的連續(xù)性、經(jīng)驗和知識的積累性。尤其是要給科研人員長期的支持，讓他們能潛心基礎科學重要基本問題的研究，爭當基礎科學研究的國際領跑者，這樣才能做出高質(zhì)量的科學探索和科技創(chuàng)新。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

加快發(fā)展納米能源產(chǎn)業(yè)

《瞭望》：納米科技的國際競爭趨勢是什么？有何建議？

柴油發(fā)電機組哪個品牌好

王中林：中國科技界非常重視納米科技的創(chuàng)新與發(fā)展，納米領域涌現(xiàn)了很多高質(zhì)量的原創(chuàng)性成果，整體研究水平已經(jīng)走在了世界的前列。

我們要有科技引領性——不只是跟蹤世界前沿科技，還要以獨特的中國智慧和中國方案引領世界。目前來講，納米發(fā)電機和壓電電子學兩個領域，我們在國際上是領跑者。

在納米科技方面，中國人還需要做更多原創(chuàng)的東西，并且與工業(yè)化應用銜接起來。納米科技發(fā)展到今天，核心是要為社會解決重大問題。如果不解決問題，能發(fā)現(xiàn)新原理、新現(xiàn)象、新效應，在科學上取得進展也是很有意義的。但是目前這一類還是太少了，要注重把應用搞上去，往實業(yè)、產(chǎn)業(yè)走。

我們做科研，要么能上書架子，在基礎科學上要有成果并成為經(jīng)典科學，在國際頂級刊物上有聲音，自己的發(fā)明可以寫進教科書。要么能上貨架子，真正把成果應用到祖國的大地上去，造福人民。兩個架子都上，那是最好。北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

在納米發(fā)電機這個我國引領世界發(fā)展的領域，我們應進一步聚焦能源與傳感等重點前沿，發(fā)展中國人創(chuàng)造的嶄新領域，增強科學界的民族自信心。■

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