新发明模拟云层闪电，从空气中获取电力

由一个氧原子和两个氢原子构成的水分子示意图。（Shutterstock）

美国麻萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员找到了一种通过收集空气中的水分子来发电的方法，为可依赖的清洁再生能源开启了一扇大门。

根据5月5日发表在《高级材料》（Advanced Materials）期刊上的一篇论文，可以使用几乎任何材料制成的设备从空气中收集电能，只需要在材料上点缀直径小于100纳米（nanometer）的小孔。

“这令人兴奋。”该论文首席作者刘晓萌（Xiaomeng Liu，音译）在一份声明中说， “我们正在打开一扇从稀薄空气中获取清洁电力的大门。” 刘是麻省大学阿默斯特工程学院电气与计算机工程专业的研究生。

该论文描述了如何用比人类发丝细1千倍的纳米孔收集空气中水分子的固有电荷。这些孔的大小与水分子之间的“平均自由程”长度相同，这是分子在碰撞到另一个水分子之前在空气中移动的距离。

通过创建一个具有与该距离（100纳米）大小相同的微孔设备，研究人员可以收集分子的自然电荷。这种“空气发点机”或称Air-gen之所以起作用，是因为孔隙的尺寸很小，这意味着水分子在穿过薄薄的材料层时很容易撞到孔隙的边缘。在研究所使用的经过特殊设计的分层材料中，这意味着 Air-gen 的上部会比下部受到更多携带电荷水分子的轰击，从而产生类似云层中的电荷不平衡现象，这是产生电流的基本原理，例如闪电。

“空气中含有大量电力，”姚军（Jun Yao，音译）在声明中说。 姚军同样来自阿默斯特分校工程学院，并任职电气和计算机工程助理教授，是该论文的合著者。 “想象一个未来的世界，无论你走到哪里，都能获得清洁电力，”他说。 “通用的 Air-gen 效应意味着这个未来世界可以成为现实。”

“想想一朵云，它只不过是一团水滴，”姚说。 “其中每一个水滴都含有电荷，当条件合适时，云可以产生闪电——但我们不知道怎样从闪电中捕获电能。我们所做的是创造一个人造小型云片，让它持续地发电，更令人震惊的是，这个设备几乎可以使用任何材料。”ˉ

“从空气中发电的能力——我们之前称为‘空气发电效应’——被证明是普遍存在的：实际上任何一种材料都可以从空气中获取电能，只要它具有某种特性，”姚军说。

这个想法之前已经尝试过，但作者表示，这种新设计可以工作更长的时间，所以希望有一天用它来提供可持续的再生能源。

作者希望其突破性发现可以帮助世界各地使用任何材料从空气中发电。由于空气总是有些潮湿，这种电力收集器不必像其它形式的可再生能源那样依赖太阳或风。

“这个想法很简单，”姚说，“但以前从未被发现。它开启了各种可能性，你可以想象把一种材料制成的Air-gen用于雨林环境，另一种则用于干旱地区。”

此外，空气发电机可以堆叠起来，扩大发电量。作者们说，数以千计的空气发电机堆叠在一起时，能够为一般电力设施提供千瓦级的电力。