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有一种电池,不需要充电,就可以源源不断从空气中汲取能量,这是科幻电影中的东西吗?不,空气取能电池已经成为现实。
这到底是怎么一回事呢?能量是不会凭空产生的,能够从空气中汲取能量,一个前提条件就是空气中存在能量。这很容易令人联想到风能,但风能是空气流动所蕴含的动能,并非空气本身蕴含的能量。处于静止状态的空气也蕴含能量吗?是的,这要从1827年说起。时年,苏格兰植物学家罗伯特·布朗在使用显微镜观察水中的花粉颗粒时,意外发现这些花粉颗粒总是无规则地不停运动。
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起初,布朗认为是水的波动导致了这一现象,但经过长期观察之后,他发现即便是在完全静止的水中,花粉依旧会一刻不停地运动,后来这一发现就被命名为“布朗运动”。
那么,是什么驱使花粉运动的呢?是微观层面的分子。世界上并没有什么东西是真正处于静止状态的,一杯水、一片空气、一块石头,即使表面看起来纹丝不动,但其内部的分子却时刻处于运动之中,区别只是运动速度的快慢不同。正是水中这些不断运动的分子推动花粉运动起来的。
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这种在水中或空气中无处不在的分子活动,后来就被称为“分子热运动”。
既然分子时刻都在运动,就代表它们拥有动能,如果能够将这些动能收集起来,不就能够获得取之不尽的天然能源了吗?或许你会觉得分子很小,动能有限,的确,分子是很小,但数量众多,就拿空气来说,每立方厘米的空气里就有超过2.7x10∧19个分子,将它们的能量都收集起来也是一份不可小觑的力量。那么,如何收集呢?
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这个问题在困扰了科学家们近100年之后,诞生了首个看似靠谱的方案,它就是由物理学家理查德·费曼提出的“布朗棘轮”。
这个装置很是简单,由一个棘轮连接一个叶轮组成,当空气或水中的分子做布朗运动时,会随机碰撞叶轮,导致叶轮带动棘轮转动,如果在棘轮上安装一个楔子,将棘轮向一个方向的转动卡主,那么棘轮就只能向一个单一的方向转动,这就是一种定向的机械能。遗憾的是,这个看似靠谱的方案最终并没有成功,因为卡主棘轮的楔子本身也处于分子热运动环境中,它也会不停振动,无法精准卡主棘轮。
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在此之后,又是100多年没有进展,直到一种新的材料出现了,它就是石墨烯。
石墨烯是由单层碳原子构成的蜂窝状二维材料,厚度仅有0.335纳米,当空气中的分子做无规则运动时,会与石墨烯发生碰撞,导致后者产生如海浪般的微小波动。海浪本身是可以用来发电的,而如海浪一般波动的石墨烯自然也行。更难能可贵的是,石墨烯本身就具有超高的导电性,有利于捕捉微小波动产生的静电感应电流。
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就这样,一种以石墨烯为核心部件制作的空气取能电池诞生了,它的尺寸只有1x1毫米,至此,人类终于将从空气中汲取能量的梦想变为了现实。
当然,这种石墨烯电池的功率很小,暂时还没有太多实际用途,但它的发展潜力却是不可估量的。设想一下,在未来,所有的微型电子设备,如手机、智能手环,医疗传感器全都用上了这种电池,那就再也不需要充电,因为它能直接从空气中汲取能量,只要有空气就能永久运行。不要误会,这并不是永动机。因为它并不是一个孤立的系统,它只是一个能量转换器,将空气中看不见的分子运动变为了可利用的电能。
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