当前气候问题逐渐成为世界面临的主要挑战之一，加快发展清洁能源对实现可持续发展具有重要意义，也是全球各国的共识。作为海洋中的主要可再生清洁能源储备之一，波浪能具有分布广泛、储量巨大的特点。开发利用波浪能是优化全球能源结构和实现碳中和的重要途径之一，然而，其在技术上也面临着极大的挑战。摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator，TENG）为波浪能收集及其它海洋蓝色能源开发提供了新的技术路线。根据蓝色能源的构想，大量TENG单元构成的分布式网络有望实现大规模波浪能收集。虽然目前关于收集波浪能的TENG单元已有较多的研究，但关于如何对大量单元进行组织并形成网络的研究还较少，特别是缺乏如何设计有效的三维网络，将能量收集延伸至水下一定深度的思路。
超材料（metamaterial）作为一种包含基础几何结构单元的人造材料，实现了新的材料设计自由度，展现调控电磁波的能力，并可实现各种奇异的性质，如负相速度、隐形等。近年来，超材料研究由电磁波领域拓展到声学和力学等领域，体现出超材料对调控不同形式波的普适性。在此基础上，可以设想一种包含分布式单元且单元间根据超材料结构相互连接的机械系统，实现与环境的强耦合并从中提取波动的能量。基于这一思想，中科院北京纳米能源与系统研究所许亮/王中林课题组近日提出了一种三维手性摩擦纳米发电机网络（three-dimensional chiral network of TENGs），首次完整实现了蓝色能源TENG网络的构想，能够对水面和水下一定深度及全方向的水波能进行收集，并在水中表现出柔性、超弹性以及类似于超材料的吸波特性。
该三维网络的设计基于手性超材料结构，包括浮子、手性单元以及单元间的连接“韧带”等。在TENG单元的一侧附有半球壳形质量块，形成非平衡结构，垂直方向的各层单元由连接“韧带”进行非对称连接，形成手性长链，顶层的浮子使网络与水面保持较为固定的相对位置。基于手性结构的力-力矩耦合，网络可以将水波的起伏等激励转化为手性单元的旋转或摆动运动，有效驱动TENG单元的内部结构工作。网络中具体涉及到重力-浮力力矩和驱动力矩等力矩的交互作用，在波浪驱动下形成往复的整体拉伸和收缩运动，类似弹簧的行为，形成一种“水力-重力弹簧”（hydro-gravity spring），其中部分能量由TENG转化为电能输出。网络中，离散的单元通过手性关联，可实现有效地传导能量和运动，将局部的激励传递到网络的不同部分，其动态特性类似于手性机械超材料对于机械波的响应，波浪在传播经过该网络后，能量将被网络吸收，从而逐渐减小幅度。该网络具有串联、并联及混联等联接形式，其中串联网络需要较小的驱动力和较大的驱动距离，而并联网络需要较大的驱动力和较小的驱动距离，混联网络是两者的混合。网络可以响应垂向和侧向的激励，从水波及其它水体扰动中收集能量，具有全方向的能量收集能力。网络可以配置为不同规模、不同深度，适应不同范围的水体能量收集。网络的分布式架构、柔性和超弹性等特性使其有可能更好地适应复杂的海洋环境。该工作还构建了高性能的能量管理电路，使得存储的能量相比管理前提高了约319倍。在此基础上，完整构建了包含单元-三维网络-能量管理-应用的基于蓝色能源的自驱动系统，并展示了自供电传感和信号传输的能力。该三维手性网络首次完整实现了蓝色能源的构想，并且提出了一种有效的网络构建思想和策略，将为蓝色能源收集和海洋自驱动系统的进一步发展提供重要的基础。本工作还提出了从机械超材料迁移到能量收集系统的设计范式，二者在机械波的吸收和转换方面具有相似性，将有可能启发基于超材料的新型能量收集系统和其他多单元强耦合机械系统的设计思路，并进一步丰富超材料的概念。另外，网络实现的分布式机械单元也可视为一种集群架构，类似于自然界中的蚁群或蜂群，近年来，研究者提出了一系列大量微小机器人的集群来完成特定任务，这些机器人之间一般具有松散及局域的交互。而本文提出的系统的单元之间有较强的关联，与环境也有较强的耦合作用，在环境的激励下表现出相关运动和集群行为，从而实现了一种新颖的集群系统，有可能实现由传统单体机械系统所无法完成的任务或难以达到的性能。该成果以“Three-dimensional chiral networks of triboelectric nanogenerators as inspired by metamaterial’s structure”为题发表在《Energy & Environmental Science》上（https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ee/d3ee01035j）。论文第一作者为纳米能源所博士生栗宪业，通讯作者为许亮研究员、王中林院士及林沛博士（现工作单位为郑州大学）。本研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中国科学院青年创新促进会等项目资助。
相关研究链接：
【Nature Communications】电荷自泵浦激励的蓝色能源器件
【Nano Energy】自组装波浪能网络刷新平均功率记录
【ACS Nano】耦合摩擦纳米发电机网络高效收集波浪能
图1 三维手性TENG网络概念。（A）概念图。（B）手性网络工作原理。（C，D）网络在水中处于初态（C）和拉伸态（D）的照片。比尺：8 cm。（E，F）手性单元在初态（E）和拉伸态（F）的力-力矩耦合。（G，H）水力-重力弹簧在初态（G）和拉伸态（H）的示意图。
图2 网络单元的结构、工作原理及输出性能。（A）手性单元结构示意图。（B）手性单元照片。比尺：2 cm。（C）摆动模式示意图。（D）TENG工作原理图。（E，F）摆动角度与转移电荷量（E）和短路电流（F）的关系。（G）TENG对不同电容值电容的充电特性。（H）TENG在不同阻值负载下峰值电流、峰值功率和平均功率。（I，J）转移电荷量（I）和整流短路电流（J）与单元数量的关系。
图3 三维手性TENG网络的结构和特性。（A-C）串联（A）、并联（B）和混联（C）结构的手性链示意图。（D）串联链中手性单元垂向受力分析图。（E，F）垂向（E）和横向（F）能量收集示意图。
图4 手性网络波浪能收集性能。（A）网络结构变换示意图。（B）手性与非手性网络的短路电流。（C）不同末端约束状态网络的转移电荷量。（D）串联网络在水波垂向激励下的运动过程。（E，F）串联网络的短路电流（E）和转移电荷量（F）。（G，H）波浪高度与串联网络（G）和并联网络（H）峰值电流和转移电荷量的关系。（I，J）激励频率与串联网络（I）和并联网络（J）峰值电流和转移电荷量的关系。（K）横向激励下并联网络单周期输出。（L）并联网络输出功率与负载的关系。（M）单层和三层网络的输出功率对比。
图5 手性网络的能量管理。（A）能量管理电路图。（B，C）开关电流（B）及放大图（C）。（D）负载与瞬时电流和功率的关系。（E）基于能量管理的充电效率的提升。
图6 手性网络的应用与展望。（A）大规模三维手性TENG网络作为海上能量站的应用示意图。（B）大规模手性网络的波浪吸收示意图。（C）三维手性网络点亮348个发光二极管（LED）。（D）基于TENG网络的自驱动系统示意图。（E）电容电压曲线。（F）三维手性网络驱动无线温湿度计。
