中國(guó)科學(xué)院外籍院士、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)王中林
中國(guó)科技界非常重視納米科技的創(chuàng)新與發(fā)展，納米領(lǐng)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(jī)和壓電電子學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域，中國(guó)在國(guó)際上是領(lǐng)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(guó)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(lán)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(chǔ)科學(xué)上要有成果并成為經(jīng)典科學(xué)，自己的發(fā)明可以寫進(jìn)教科書。要么能上“貨架子”，真正把成果應(yīng)用到祖國(guó)的大地上去，造福人民。兩個(gè)架子都上，那是最好
文 |《瞭望》新聞周刊記者 黃明 劉濟(jì)美
能源是人類文明進(jìn)步的根本動(dòng)力，也是全球技術(shù)變革的決定性因素。進(jìn)入大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(kāi)始探索微納能源等“小能源”，以解決物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代小型器件的自供能問(wèn)題。
在這個(gè)領(lǐng)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(zhǎng)和首席科學(xué)家王中林，當(dāng)屬“執(zhí)牛耳者”。作為國(guó)際納米能源和納米自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要開(kāi)創(chuàng)者和奠基人，王中林堪稱納米科技領(lǐng)域最具學(xué)術(shù)影響力的科學(xué)家。
近年來(lái)，王中林先后斬獲10余項(xiàng)國(guó)際性獎(jiǎng)項(xiàng)。其中，他2018年7月所獲的世界能源和環(huán)境領(lǐng)域最高獎(jiǎng)埃尼獎(jiǎng)和2019年6月所獲的愛(ài)因斯坦世界科學(xué)獎(jiǎng)，均為華人科學(xué)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(jī)為核心的海洋藍(lán)色能源技術(shù)，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(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的偉大目標(biāo)提供了令人振奮的能源技術(shù)路徑。
未來(lái)能源什么樣
《瞭望》：未來(lái)能源革命的趨勢(shì)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(shí)也對(duì)我們提出了新的挑戰(zhàn)和更高要求。長(zhǎng)期以來(lái)，人類賴以生存的化石能源導(dǎo)致了氣候和環(huán)境變化。油、煤燃燒過(guò)程的不可逆性，也使人類面臨能源耗竭的困境。
我國(guó)的能源特征是“多煤、少油、缺氣”，目前的電力57.7%來(lái)自于煤炭火力發(fā)電，11%來(lái)自于可再生能源，即風(fēng)能、光伏能、生物質(zhì)能等。尋找“后化石能源”時(shí)代的新能源、新的增長(zhǎng)點(diǎn)，以保障未來(lái)可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)務(wù)之急。
為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，降低煤炭發(fā)電所造成的二氧化碳釋放是關(guān)鍵。到2060年，我國(guó)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(dá)到63%。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，發(fā)展結(jié)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(shù)勢(shì)在必行。從熱力學(xué)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(wú)序，遵循熵增加的原理，即高熵能源。未來(lái)，如何解決和利用數(shù)以億計(jì)的移動(dòng)性、變化性、不定性的“小能源”，這是我們一直的研究方向。
《瞭望》：什么是納米能源？微納系統(tǒng)研究的意義和價(jià)值在哪里？
王中林：納米能源，作為一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，是指利用納米材料和納米器件來(lái)實(shí)現(xiàn)高熵能源的高效轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存與利用，從而實(shí)現(xiàn)為微納系統(tǒng)提供持久的、不需維護(hù)的能源。其應(yīng)用范圍，包括不限于穿戴式電子設(shè)備、健康醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)、安全與安防、機(jī)器人和人機(jī)界面等。
如今，人類社會(huì)已邁入大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，我們開(kāi)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(duì)納米領(lǐng)域的研究始于1984年，那時(shí)納米還不叫“納米”。后來(lái)，2005年開(kāi)始發(fā)展的基于納米發(fā)電機(jī)的高熵能源體系和壓電電（光）子學(xué)，成為當(dāng)今我們領(lǐng)先世界的開(kāi)創(chuàng)性原創(chuàng)領(lǐng)域。
納米能源與微納系統(tǒng)研究是納米科技中的一個(gè)重要組成部分，為物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人和人工智能的發(fā)展提供了新的能源技術(shù)，為人類探索和利用能源開(kāi)辟了新的路徑和方式，前景廣闊。目前，我國(guó)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(jī)機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)傳感器的原理和技術(shù)路線圖。
納米發(fā)電機(jī)前景廣闊
《瞭望》：什么是摩擦納米發(fā)電機(jī)？能分享一下背后的過(guò)程和體會(huì)嗎？
王中林：摩擦納米發(fā)電機(jī)，是一種將環(huán)境中的低頻次、低振幅的機(jī)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(jī)——壓電式納米發(fā)電機(jī)問(wèn)世以來(lái)，納米發(fā)電機(jī)的概念和應(yīng)用也有了質(zhì)的飛躍和升華。現(xiàn)在它已經(jīng)是一個(gè)利用麥克斯韋位移電流把機(jī)械功高效轉(zhuǎn)為電功的領(lǐng)域，涉及化學(xué)、物理、機(jī)械原理、電子學(xué)，特別是在能源和傳感應(yīng)用方面，成為跨領(lǐng)域新學(xué)科。
我們推導(dǎo)出適用于運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的擴(kuò)展型麥克斯韋方程組，在通訊與高分辨電磁波成像等領(lǐng)域有深遠(yuǎn)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(gè)國(guó)家和地區(qū)、800多個(gè)單元的逾7000名研究人員專注于這一領(lǐng)域。
摩擦納米發(fā)電機(jī)，能收集周圍環(huán)境中微小的震動(dòng)機(jī)械能并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，為其他納米器件如傳感器、探測(cè)器等提供能量。這種震動(dòng)機(jī)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?dòng)、引擎的轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至在人體內(nèi)由于呼吸、心跳或是血液流動(dòng)帶來(lái)的體內(nèi)某處壓力的細(xì)微變化，均有可能帶動(dòng)納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。
因此，納米發(fā)電機(jī)的發(fā)明不僅為實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的微型化帶來(lái)了可能。更重要的是，對(duì)于實(shí)現(xiàn)具有完全無(wú)線、可生物植入，以及長(zhǎng)時(shí)期甚至終生無(wú)需照管的納米或微電子器件，納米發(fā)電機(jī)也提供了一種理想的電源系統(tǒng)。
摩擦納米發(fā)電機(jī)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(xué)、無(wú)線通信和無(wú)線傳感等領(lǐng)域都將有廣泛應(yīng)用，也是我們未來(lái)的研究和應(yīng)用方向。
海洋發(fā)電或成現(xiàn)實(shí)
《瞭望》：什么是海洋藍(lán)色能源技術(shù)？應(yīng)用前景有哪些？
王中林：海洋中蘊(yùn)含著波浪能、潮汐能、溫差能等豐富而清潔的可再生藍(lán)色能源。海洋能源若實(shí)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(shí)帶來(lái)世界能源格局的深刻變化并影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(jī)，可用于對(duì)河流、雨滴、海浪的動(dòng)能收集。摩擦納米發(fā)電機(jī)四種基本模式的組合應(yīng)用，可以高效回收海洋中的動(dòng)能資源，包括海水的上下浮動(dòng)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(jī)結(jié)成網(wǎng)狀放置到海洋中，將會(huì)使海水無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樵丛床粩嗟碾娔埽覀儓F(tuán)隊(duì)將此描述為“新型藍(lán)色能源”。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做理論測(cè)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(jí)的電能輸出。
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(tái)球形納米發(fā)電機(jī)，然后連成三維網(wǎng)，理論上可持續(xù)發(fā)出近1萬(wàn)千瓦電，點(diǎn)亮100萬(wàn)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(guó)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(lán)色能源的潛力不言而喻。
利用海洋能源是當(dāng)今世界能源研究的前沿方向。但由于海洋波浪能開(kāi)發(fā)成本高、經(jīng)濟(jì)效益差，始終制約著其大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)發(fā)利用和發(fā)展。摩擦納米發(fā)電機(jī)通過(guò)摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，與現(xiàn)有其他發(fā)電技術(shù)不同，也使海浪能的收集成為可能。
加速孕育顛覆性技術(shù)變革
《瞭望》：你怎么看“從0到1”？
王中林：面對(duì)我國(guó)“十四五”時(shí)期及更長(zhǎng)時(shí)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(shí)現(xiàn)更多“從0到1”的突破。即從基礎(chǔ)理論和物理機(jī)理本質(zhì)上改頭換面，一旦成功就能實(shí)現(xiàn)巨大的技術(shù)突破。
“從0到1”不僅要有長(zhǎng)期厚重的知識(shí)積累，還要有瞬間的靈感；既需要長(zhǎng)期穩(wěn)定堅(jiān)持做基礎(chǔ)研究，久久為功，又需要聚焦比較優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，突出重點(diǎn)；既需要自由探索，也需要從源頭或底層為長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)提供支撐。
我們的未來(lái)不是靠預(yù)言出來(lái)的，而是靠實(shí)干干出來(lái)的。最優(yōu)秀的科學(xué)家要做的，就是實(shí)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(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)研究中，就實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)“從0到1”——
拓展了麥克斯韋方程組，奠定了納米發(fā)電機(jī)的理論基礎(chǔ)；
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(jī)理，解決了2600年的科學(xué)問(wèn)題；
提出并驗(yàn)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(jī)理，并首次提出了界面光譜學(xué)與接觸起電催化學(xué)；
確定了液體-固體接觸中界面電子轉(zhuǎn)移的過(guò)程，并提出了形成雙電層結(jié)構(gòu)的兩步走機(jī)理模型。這些基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)展必將帶來(lái)技術(shù)的變革。
《瞭望》：我國(guó)的基礎(chǔ)研究與發(fā)達(dá)國(guó)家仍有差距，原因主要在哪里？
王中林：在國(guó)際上，基礎(chǔ)研究包括基礎(chǔ)科學(xué)研究和基礎(chǔ)技術(shù)研究?jī)蓚€(gè)層面。我們?cè)谔岬交A(chǔ)研究時(shí)，關(guān)注的往往是基礎(chǔ)技術(shù)研究，而不是基礎(chǔ)科學(xué)研究。
基礎(chǔ)研究具有規(guī)律性與傳承性，需要經(jīng)過(guò)幾代甚至很多代人努力。中國(guó)的基礎(chǔ)科學(xué)研究起步晚、基礎(chǔ)薄弱，還沒(méi)有形成真正重視基礎(chǔ)科學(xué)的文化。這是目前中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家存在差距的重要原因之一。
此外，我國(guó)基礎(chǔ)研究的經(jīng)費(fèi)比例偏低，在一定程度上影響了基礎(chǔ)研究的發(fā)展。實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)研究的突破，重在打造科學(xué)的創(chuàng)新體系，關(guān)注科學(xué)的傳承性、人才培養(yǎng)的連續(xù)性、經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的積累性。尤其是要給科研人員長(zhǎng)期的支持，讓他們能潛心基礎(chǔ)科學(xué)重要基本問(wèn)題的研究，爭(zhēng)當(dāng)基礎(chǔ)科學(xué)研究的國(guó)際領(lǐng)跑者，這樣才能做出高質(zhì)量的科學(xué)探索和科技創(chuàng)新。
加快發(fā)展納米能源產(chǎn)業(yè)
《瞭望》：納米科技的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)是什么？有何建議？
王中林：中國(guó)科技界非常重視納米科技的創(chuàng)新與發(fā)展，納米領(lǐng)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(lǐng)性——不只是跟蹤世界前沿科技，還要以獨(dú)特的中國(guó)智慧和中國(guó)方案引領(lǐng)世界。目前來(lái)講，納米發(fā)電機(jī)和壓電電子學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域，我們?cè)趪?guó)際上是領(lǐng)跑者。
在納米科技方面，中國(guó)人還需要做更多原創(chuàng)的東西，并且與工業(yè)化應(yīng)用銜接起來(lái)。納米科技發(fā)展到今天，核心是要為社會(huì)解決重大問(wèn)題。如果不解決問(wèn)題，能發(fā)現(xiàn)新原理、新現(xiàn)象、新效應(yīng)，在科學(xué)上取得進(jìn)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(yīng)用搞上去，往實(shí)業(yè)、產(chǎn)業(yè)走。
我們做科研，要么能上“書架子”，在基礎(chǔ)科學(xué)上要有成果并成為經(jīng)典科學(xué)，在國(guó)際頂級(jí)刊物上有聲音，自己的發(fā)明可以寫進(jìn)教科書。要么能上“貨架子”，真正把成果應(yīng)用到祖國(guó)的大地上去，造福人民。兩個(gè)架子都上，那是最好。
在納米發(fā)電機(jī)這個(gè)我國(guó)引領(lǐng)世界發(fā)展的領(lǐng)域，我們應(yīng)進(jìn)一步聚焦能源與傳感等重點(diǎn)前沿，發(fā)展中國(guó)人創(chuàng)造的嶄新領(lǐng)域，增強(qiáng)科學(xué)界的民族自信心。
來(lái)源：新華社
