可以看到科技事件中生物、醫(yī)學(xué)、太空、氣候、考古等是*主要的科技事件，沒(méi)能源和電力什么事，而科技成就中能源和電力占了4席，分別是唾液燃料電池、原子尺度的樂(lè)高積木、用聲波進(jìn)行無(wú)線充電、用低級(jí)廢熱充電的電池，說(shuō)明能源和電力領(lǐng)域在工程應(yīng)用方面還是有相當(dāng)大突破的，或者說(shuō)被人們寄予厚望的。

以下列出能源電力相關(guān)的科技成就：

唾液燃料電池

——唾液可能成為醫(yī)療設(shè)備的可再生能源來(lái)源

阿拉伯國(guó)王科技大學(xué)電子工程學(xué)教授穆罕默德˙穆塔法˙侯賽因，為制造超微裝置貢獻(xiàn)了幾乎他所有的時(shí)間。2010年，他著手開(kāi)發(fā)一個(gè)豐富的可再生能源電源，可用于從極遠(yuǎn)的地方凈化水或診斷**的機(jī)器，他不可避免地從“小”入手。比如說(shuō)，微小的微生物燃料電池可能是個(gè)自然的起點(diǎn)。但用唾液為燃料電池供能卻并非自然而然的選擇。

這個(gè)利用唾液的點(diǎn)子來(lái)自侯賽因的同事賈斯汀E˙閔科，當(dāng)時(shí)是他辦公室的博士候選人。那時(shí)候，閔科正在嘗試制造一種血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備，它需要電源足夠小，能到達(dá)糖尿病患者體內(nèi)胰腺附近。微生物燃料電池通過(guò)給**喂食有機(jī)物(唾液中含有很多)來(lái)產(chǎn)生電荷進(jìn)而變成電能的，這個(gè)方案自然成為閔科研究項(xiàng)目的備選。

他們兩個(gè)人用了一種高超導(dǎo)電極，裝滿了吃唾液的**，在幾個(gè)星期之內(nèi)他們就產(chǎn)生了近一個(gè)微瓦特(百萬(wàn)分之一瓦特)的電。

1微瓦是非常非常小的電量，但是足夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)室芯片、糖尿病工具和血糖監(jiān)測(cè)工具供電了。侯賽因正在與能3D打印人造器官的公司合作，將他的燃料電池植入到人造肝臟中去，那里也有大量的體液可提供燃料。他說(shuō)，這只是長(zhǎng)期規(guī)劃的簡(jiǎn)單起步，他的目標(biāo)是在貧窮國(guó)家用發(fā)電廠有機(jī)廢物生產(chǎn)供海水淡化裝置使用的電能。

原子尺度的樂(lè)高積木

——堆疊1個(gè)原子厚的材料能創(chuàng)造出全新屬性物質(zhì)，開(kāi)創(chuàng)無(wú)限可能

這個(gè)想法*初受到樂(lè)高積木的啟發(fā)，樂(lè)高是用一種小型的塊狀積木對(duì)齊在一起。那些積木塊已經(jīng)變成了不可思議的汽車(chē)、精心打造的城堡和許多其他作品，相比較積木塊本身，這些作品更具魅力。

今天，科學(xué)家用一種新型樂(lè)高——原子尺度的“積木塊”生產(chǎn)新型的材料。這些新的結(jié)構(gòu)元素是一片一片的材料，可以薄到僅有一個(gè)原子的厚度，還能按照設(shè)計(jì)過(guò)的**序列一個(gè)一個(gè)往上堆疊。這種****的結(jié)構(gòu)控制能生產(chǎn)出帶有電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)，這在此前是沒(méi)法實(shí)現(xiàn)的。它的出現(xiàn)，讓科學(xué)家可以想象出用非常微弱的導(dǎo)電材料制成的裝置，比如更快更強(qiáng)勁的電子計(jì)算機(jī)，可彎曲、折疊且超輕快的可穿戴電子設(shè)備。

這個(gè)技術(shù)突破是2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德瑞K˙金的石墨烯相關(guān)研究的延續(xù)。2004年，他和同事從笨重的石墨塊中分離出了單張六面體結(jié)構(gòu)的石墨烯層，此后十年間，很多學(xué)者用這種辦法分離出很多種類(lèi)型的大塊晶體結(jié)構(gòu)，云母就是一個(gè)例子，其外來(lái)名字為六角氮化硼和二硫化鉬材料。

這些晶體層被認(rèn)為是二維的，因?yàn)橐粋€(gè)單原子是所有材料所能達(dá)到的*小厚度了。其他維度、寬度、長(zhǎng)度可以更大一些，這取決于制作者的愿望。

在過(guò)去的幾年中，二維晶體因?yàn)槟軌蛘宫F(xiàn)很多獨(dú)特的性質(zhì)，已經(jīng)成為材料科學(xué)和固體物理學(xué)領(lǐng)域的熱門(mén)話題。

我們可以把這些材料層堆疊的很穩(wěn)固，它們不是以傳統(tǒng)的方式結(jié)合在一起，而是用共享電子的共價(jià)鍵。但是原子在互相很靠近的時(shí)候，這些原子由于眾所周知的范德華弱拉力的作用，又結(jié)合在了一起。這個(gè)力通常不足以將原子和分子控制住，但是因?yàn)槎S層原子如此密集和靠近，因此累積起來(lái)的力量變得很強(qiáng)大。

這類(lèi)材料工程提供了誘人的可能性，想象一下室溫超導(dǎo)體。輸電沒(méi)有能量損失一直是科學(xué)家的目標(biāo)。如果能做到這一點(diǎn)的材料被找到，將對(duì)我們?nèi)祟?lèi)文明產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。有一個(gè)共識(shí)是，原則上可以達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，但是沒(méi)人知道如何達(dá)到。今天，材料可以具有超導(dǎo)性能的*高溫度是零下100攝氏度，在過(guò)去二十年之前這個(gè)極限并沒(méi)有被突破。

科學(xué)家*近已經(jīng)知道，一些超導(dǎo)體是由至少一個(gè)氧原子和其他元素組成的氧化物，且能按照前面的方法被拆解成單層。如果重新組裝并在二者之間插入其他晶體層會(huì)怎樣?氧化物的超導(dǎo)性取決于內(nèi)層的分離，插入的附加層可能會(huì)將弱導(dǎo)電層甚至絕緣材料轉(zhuǎn)換成超導(dǎo)體。

這個(gè)主意還沒(méi)有被完全驗(yàn)證，主要在于原子尺度的樂(lè)高材料技術(shù)還處在起步階段。實(shí)際上，要組裝復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)是很困難的。到現(xiàn)在為止，超過(guò)五個(gè)不同的材料層就很難維持住了，通常只能用兩個(gè)或三個(gè)不同的樂(lè)高積木塊，主要是石墨烯結(jié)合二維氮化硼絕緣晶體和二硫化鉬和鎢二硒醚等半導(dǎo)體材料。因?yàn)槎询B有很多材料，它們通常被稱為“異質(zhì)結(jié)構(gòu)”。它們很小，通常只有10微米的寬度和長(zhǎng)度，比一個(gè)人類(lèi)頭發(fā)的橫斷面還要小。

用這種堆疊方式，科學(xué)家可以對(duì)新型電子屬性、光學(xué)屬性以及新的應(yīng)用開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。一個(gè)引人入勝的方面是，這些材料層越薄，就越有彈性且透明。這就為發(fā)展光纖傳輸設(shè)備帶來(lái)希望，比如屏幕可以折疊起來(lái)用，也可以展開(kāi)來(lái)用等。計(jì)算機(jī)芯片使用電源更加高效也成為可能。

如果研究人員在這些結(jié)構(gòu)有重大發(fā)現(xiàn)，可以堅(jiān)信這項(xiàng)技術(shù)可以擴(kuò)到到工業(yè)化生產(chǎn)?，F(xiàn)在石墨烯和其他二維晶體材料已經(jīng)量產(chǎn)了，現(xiàn)在這種微晶體薄層材料可以被制成幾百平方米了。

雖然還沒(méi)有“殺手锏”級(jí)別的突破，但是這一領(lǐng)域的進(jìn)展引起了科學(xué)界的強(qiáng)烈討論和濃厚興趣。人類(lèi)的進(jìn)步幾乎都是跟隨著新材料發(fā)現(xiàn)的腳步。從石頭到銅到鐵到硅時(shí)代，這樣的探索每次都起到了至關(guān)重要的作用。納米尺度的樂(lè)高正扮演著****的角色，現(xiàn)在看來(lái)，仍有無(wú)窮無(wú)盡的可能。

用聲波進(jìn)行無(wú)線充電

——通過(guò)空氣發(fā)射電流的有效方法

2011年，還在賓夕法尼亞大學(xué)讀古生物學(xué)的學(xué)生梅雷迪斯˙佩里正在為筆記本充電，突然想到，繁瑣的電源線有**可能會(huì)過(guò)時(shí)。她開(kāi)始尋找讓這個(gè)想法變成現(xiàn)實(shí)的路徑。佩里知道，基于磁共振和感應(yīng)器的無(wú)線變電器已經(jīng)存在，但它們的應(yīng)用范圍很有限，瓶頸是“平方反比定律”，就是電磁輻射的強(qiáng)度與距離輻射源的距離成反比。

然而，機(jī)械震蕩不會(huì)面臨這個(gè)難題。利用空氣的振動(dòng)使用壓電傳感器，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，似乎是個(gè)更好的主意。聲音無(wú)非就是振動(dòng)空氣粒子，它在理論上應(yīng)該能夠傳遞能量。超聲更是一種**、安靜的高能量，也將是**的選擇。

當(dāng)佩里跟學(xué)校里的教授討論這個(gè)想法時(shí)，很多人告訴她這不太可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椴豢赡軓某曋刑崛∽銐虻哪芰縼?lái)為電子設(shè)備充電，如果她執(zhí)意如此會(huì)遭遇大量電子工程和聲學(xué)難題。

“但是我知道這個(gè)神話是正確的?！彼f(shuō)，“而且沒(méi)有人給我提供‘完全沒(méi)有可能’的證據(jù)?！彼耘謇镎业揭患医凶觥皍射線”的公司，來(lái)開(kāi)發(fā)這個(gè)技術(shù)。該公司的發(fā)射器作為揚(yáng)聲器目前還處在原型研究階段。它創(chuàng)建一個(gè)熱點(diǎn)聚焦超聲的能量;同時(shí)將一個(gè)接收器附加到電子裝置上用來(lái)接收回聲并將其轉(zhuǎn)換成電力能源。她現(xiàn)在正努力讓**批產(chǎn)品在兩年內(nèi)上市。

佩里說(shuō)，一個(gè)通用的無(wú)線充電系統(tǒng)，將取消大量不兼容的電線和充電器，并允許移動(dòng)設(shè)備來(lái)執(zhí)行高能耗任務(wù)而無(wú)需消耗電池。做為工業(yè)品內(nèi)部設(shè)計(jì)的重要組成部分，無(wú)線充電設(shè)計(jì)方案還可以帶來(lái)新的選擇，比如為飛機(jī)、汽車(chē)、航天器或任何其他交通工具減少重量，它們?nèi)缃襁€是滿載各種沉重的電源線。

“總之，無(wú)線充電將讓我們從與物理世界的互動(dòng)中解脫出來(lái)，我們將從徹底逃離拴在墻上的那些韁繩?！迸謇镎f(shuō)。

用低級(jí)廢熱充電的電池

——美國(guó)三分之一廢棄能源能用來(lái)發(fā)電

每年，從工廠中產(chǎn)生的10億瓦特潛在電能被揮霍掉了，這些電能足夠1000萬(wàn)戶家庭使用。熱電效應(yīng)就是通過(guò)溫度差異將熱量轉(zhuǎn)移到電力的一種方式，但只轉(zhuǎn)換了其中一部分。幾十年來(lái)，溫度差異達(dá)到了500攝氏度或者更高，以便獲取任何有用的大量能源，麻省理工學(xué)院的博士后楊遠(yuǎn)(音譯)解釋說(shuō)，這很不幸，因?yàn)榄h(huán)境保護(hù)組織估計(jì)，每年美國(guó)的100攝氏度以下熱能損失達(dá)到了三分之一。

楊和他的導(dǎo)師及斯坦福的幾個(gè)博士后已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一個(gè)在50攝氏度獲取熱能的方法，訣竅是利用熱電效應(yīng)的一個(gè)“表親”——熱電溫差效應(yīng)(thermogalvaniceffect)。電池在不同溫度和電壓的某種轉(zhuǎn)換關(guān)系下，可以有效地充電?？茖W(xué)家們建立了一個(gè)系統(tǒng)裝置，首先利用廢熱提高蓄電池的溫度，由于熱電溫差效應(yīng)，電池可以在較低的電壓下充電。然后讓電池冷卻，在較低的溫度時(shí)使得電池可以在較高的電壓下放電進(jìn)入電網(wǎng)。這樣能量差可以有效地從廢熱中采集。

僅僅在過(guò)去兩年左右，電池電極就變得能有效轉(zhuǎn)換低溫差電能了，楊說(shuō)，在成功商業(yè)化之前還有很多事需要做。但現(xiàn)在，大量的電池可以繞在工廠煙囪或發(fā)電設(shè)備周?chē)?，用于轉(zhuǎn)換低級(jí)別多余熱能。“這個(gè)相當(dāng)有吸引力，畢竟低級(jí)熱能到處都是?！睏钫f(shuō)。

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