香港城市大学研发收集水能的突破性技术

香港城市大学(香港城大)的学者在科研上的贡献再度备受肯定!凭借对高效水能收集的应用研究,香港城大的王钻开教授荣获腾讯基金会颁授2020年“科学探索奖”。

“科学探索奖”自2019年起,每年颁发予全国不超过50位青年科学家,今年首度将提名范围扩展至港澳地区,得奖名单日前公布。香港共有三名得奖人,王教授是其中之一。

研发收集水能的突破性技术

香港城市大学研发收集水能的突破性技术
王教授曾于演讲中强调科研人员可以求诸自然原理而获得启发。

王教授身兼香港城大工学院副院长(国际化与企业协作)、机械工程学系和材料科学及工程学系教授,在仿生工程、热流体力学及能源收集等方面屡创研究突破。

他这次获“科学探索奖”的得奖研究项目题为“普适的高效水能收集技术:机理与应用研究”,隶属奖项的“先进制造”领域,主要探究体效应结构(bulk-effect architecture)与超润滑表面相融合的高效能量收集的基本原理;并制备易于液体脱离、高表面电荷密度、可应用于恶劣环境的介电材料;以及利用超润滑表面和体效应结构的协同作用,开发出可适用于多种环境、能量来源、输入形式、介面和尺度的高效能量收集装置。

他拟利用多种氟化聚合物和润滑液体等介电材料,研发可适用于不同环境的高效、可耐不同气候的超润滑表面。这些表面可以促进液体的快速脱离,从而实现表面电荷的产生、转移甚至高密度存储,并显著提高装置在不同环境下的耐用性和稳定性。

仿效猪笼草的原理制成超润滑材料

早在2019年,王教授团队与中国科学技术大学、华东师范大学和内布拉斯加大学林肯分校的研究人员,已携手设计出了一种基于超润滑界面的液-液摩擦纳米发电机(SLIPS-TENG)。超润滑液体表面(SLIPS, slippery lubricant-impregnated porous surface)这种技术,是哈佛大学的科学家于2011年仿效猪笼草利用滑溜笼口捕猎昆虫的原理,将低表面张力润滑液体注入固体材料而制成的液体表面。

王教授当时说:“我们将SLIPS与TENG两项看来截然不同的技术合而为一,并证明液体与液体之间相互摩擦产生的能量也能转化成电能。从更广泛的角度来看,两者的结合将为蓝色能源器件设计提出了范式转换。”研究成果已在2019年于学术期刊《国家科学评论》(National Science Review)上发表。

雨水或水滴亦可发电

王教授早前又提出利用类似三极管结构的电极设计,把传统的表面效应转化为更高效的体效应,强化电能输出密度;大大提高转化效率,并且实现电荷在电极之间的可逆转移,确保长期的输出稳定。类似设计已应用于他与美国内布拉斯加大学林肯分校的曾晓成教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士研究团队所研发出的新型水滴发电机(droplet-based electricity generator, DEG)。该发电机的瞬时功率密度(instantaneous power density)较当时类似的水滴发电机增加数以千倍,并大大提升电能转化效率。

他们的研究显示,一滴100微升(一微升等于百万分之一升)的水滴由15厘米的高度滴下,可产生超过140伏特电压,发电机产生的电能足以点亮100盏小LED灯。这项突破性成果有助推动水力发电的科学研究及应对能源危机,并已于2020年2月在国际权威学术期刊《自然》(Nature)上发表。

2000年,王教授自吉林大学毕业并获机械工程学士学位,2003年在中国科学院上海微系统与信息技术研究所获颁微电子学硕士学位,2008年获伦斯勒理工学院(RPI)机械工程博士学位。他然后赴美国哥伦比亚大学进行有关生物医学工程的博士后研究,2009年9月加入香港城大。

王教授是教育部长江学者讲座教授,亦是国际仿生工程学会(International Society of Bionic Engineering)的会士。2016年他成为香港首位荣获国际仿生工程学会“杰出青年奖”的得主,2016和2017年他连续获颁香港城市大学校长嘉许奖,2017年并获得香港城市大学杰出研究奖。他又于2018年获世界文化理事会嘉许为九位年轻优秀研究员之一。

王教授的贡献备受海内外肯定,而且他针对目前水力发电的技术难题,提出结合超润滑表面和体积效应结构的新机理与新技术,研究具有重要意义。他这次获颁“科学探索奖”实至名归!

“科学探索奖”由腾讯基金会资助,并由腾讯公司董事会主席兼首席执行官、腾讯基金会发起人马化腾杨振宁等科学家共同发起。奖项自2019年颁授,旨在支持在基础科学和前沿技术领域全职从事科研工作的青年学者,每位得奬者将获得人民币300万资助,分五年发放。[香港城市大学]

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