着眼于人类未来的发展，有许多种可供选择的能源。其中有些是显而易见的，比如化石燃料、流动的水资源、地球内部的热量和太阳能。但还有一些能量资源，虽然常见于人们周围环境与日常生活中，却往往被人们所忽视。特别是那些低频的机械能，如人体运动，步行，雨滴下落等等——今天这些能量被称为高熵能。收集这些能量不但可以为日常电力需求提供解决方案，而且由于能够提供可持续能源，在物联网（一种基于无处不在的众多智能设备的网络）发展的今天，其重要性愈加突出。我们如何才能有效采集这些环绕我们身边却很大程度上尚未得到开发的能源？当下最具潜力的途径之一就是通过纳米发电机。纳米发电机是利用麦克斯韦位移流有效地将机械能转换为电能或电信号的领域。

作为一种新型能量采集器，纳米发电机可以运行于很小的空间尺度上，在诸多方向都有广阔的应用前景，例如纳米设备/微米设备的能源供应、自供电传感器系统、蓝色能源、无线电力传输、雨滴能源、风能、高压电源以及许多其他研究领域，其正在成为可持续能源发展计划中不可或缺的一员。

纳米发电机—高度学科交叉的领域

今天，纳米发电机已发展成为一个高度跨学科的领域，涉及材料、信息科学、物理、化学、电子、力学，甚至医学等学科。正如该主题相关出版物表明，纳米发电机领域正在迅速扩展并吸引着来自不同领域的科学家和专业人士。出现这种情况的一个特殊原因是，纳米发电机的研究材料几乎没有限制，许多已经在使用的或者新的材料都可以用于此项研究。从大背景来看，我们正在面临全球范围内的能源危机，人们对寻找新能源，尤其是“更环保”的能源有着强烈的需求。此外，纳米发电机可以从周围收集能量并且可以在小尺度上组装，因此可以很好的为便携式甚至纳米器件/微米器件提供能量供应。借助这些特性，纳米发电机可以大大加快构建“物联网”的速度——物联网的建立也恰恰需要这种分散化和可持续的能源供应。

追溯于物理学

纳米发电机的故事始于麦克斯韦方程中的一个附加项，现在被称为Wang term，即

这是由于非电场诱导和应变相关的极化，它正是将机械能转换为电能的驱动力（Wang，2020）。压电纳米发电机原型主要通过利用压电材料转换机械能为发光二极管、液晶显示等提供能量，其首次报道于2006年（Wang和Song，2006）。摩擦纳米发电机是该家族的另一个重要成员，它可以通过两种不同材料之间的周期性接触和分离，通过接触带电和静电感应来收集机械能，这一研究首次报道于2012年（Fan et al.，2012）。

研究前沿

为了很好地利用环境中的多种能量，已有人探索了各种复合和耦合的纳米发电机（Xu et al.，2009；Yang，2020）。据报道，电磁-摩擦复合纳米发电机通过两种不同的效应同时捕获一种机械能，与单独的纳米发电机相比，其能量转换效率显著提高（Wang and Yang，2017；Wu等人，2015）。耦合纳米发电机是指两个或多个不同的纳米发电机具有相同的电极，但能量收集能力不同（Zhang et al.，2017），比简单集成不同纳米发电机尺寸更小、成本更低和转换效率更高。此外，在耦合纳米发电机中还发现了一些新的物理效应，如热-光电效应和铁-焦-光电效应（Zhang and Yang，2017；Zhao等人，201；Yang，2021），其可能在太阳能电池、光电探测器等方面具有潜在的应用前景。

展望未来

纳米发电机的一个未来发展方向是开发不同性质的新材料，并从微观角度研究它们的作用机制，最后将纳米发电机应用于新能源，比如从海洋表面的波浪中收集能量。纳米发电机的相关研究正在进行中（Wang，2017），它有巨大的潜力来满足宏观层面上的能源需求。另一个研究方向则是将纳米发电机集成到系统中以实现大能量输出，通过组装数百或数千个纳米发电机，可以达到10或100瓦的电源，为许多大功率电子器件提供动力。对于耦合纳米发电机，如何实现能量转换效率更高的耦合增强将是其中一个重要的研究方向，其增强比可能取决于不同的材料、结构和器件。

原文发表于在Cell Press旗下iScience期刊上

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