在纳米尺度下，化学键合力和分子间作用力占据了主导地位，重力效果已经非常微小。研究者必须改变设计思路。

　　     在纳米世界里，重力的效果已经不再明显。假如有人打算用纳米尺寸的悬臂梁搭建一台压电效应发电机，他会发现重力作用几乎不能使悬臂产生持续振动，发电机也就无法工作了。所以我们必须改变纳米发电机的设计思路。我们的研究小组原创性地开发出了一系列纳米技术，可以将机械能（如人体运动和肌肉收缩）、振动能（如声波和超声波）以及液压能（如体液和血液流动）转换成电能，从而驱动纳米器件。

　　      20世纪90年代末，我最主要的研究方向是碳纳米管（carbon nanotube）。我们发明了一系列原位显微技术（situ microscopy），测量出了单根碳纳米管的机械、电学及场发射特性。然而人们一直无法有效地控制碳纳米管的电学性质。我立即想到，也许开发金属氧化物的纳米结构可以有很好的效果，这将是一个全新的领域。于是，我从2000年开始了对纳米带（nanobelt）和纳米线（nanowire）的研究工作。所谓纳米带，指的是某些金属氧化物（如氧化锌）在氩气环境中，被加热到900℃～1,200℃时，生成的一种白色羊毛状产物。

　　      我们的研究主要围绕氧化锌纳米线展开。氧化锌纳米线生长在导电衬底上，排列规则，每条纳米线都是xx的六边形柱状晶体。纳米线的合成则要借助催化剂。我们采用纳米金颗粒作为催化剂，将它们沉积于单晶氧化铝基片上。加热氧化锌产生蒸气，利用反应炉中的氩气将这些蒸气运送到基片位置。这时，金颗粒的下方就会生长出氧化锌纳米线。绝大多数纳米线直径介于30到100纳米之间，长度则介于1到3微米之间。

　　      2005年8月，我们在测量纳米线的机电耦合性质时，产生了将机械能转化为电能的想法。通过原子力显微镜（atomic force microscope，缩写为AFM)，我们观测到了一些电压脉冲信号，但当时并不能xx确定它们的成因。直到当年11月，我们通过系统研究排除了摩擦、接触电阻以及其他一些可能产生混淆的因素之后，才最终确定那些电压信号是由氧化锌的压电效应产生的。下一步的工作，就是找出单根纳米线释放电压信号的具体过程。在详细研究了半导体器件理论之后，我提出了纳米发电机的基本工作原理。

　　这是氧化锌纳米线的扫描电镜照片。氧化锌纳米线的直径通常介于30～100纳米之间，长度为1～3微米。

　　     氧化锌是少有的同时具有压电和半导体特性的材料。压电效应是一种由材料中的力学形变导致电荷极化的效应，它是实现机电耦合与传感的重要物理过程。氧化锌纳米线可以利用压电效应来实现弹性形变能到电能的转化。我们成功地演示了上述能量转换过程：首先通过原子力显微镜的导电针尖使竖直纳米线发生弯曲，纳米线上随之就会产生应变场，拉伸的表面对应正应变，而压缩的表面对应负应变。当针尖扫过氧化锌纳米线顶部时，我们观察到了对应于每一个接触点的电势输出峰（见第28页）。压电效应在拉伸和压缩的表面上分别产生了正负电势，纳米线内的电场也就建立起来了。

　　     这个已经非常完善的理论仍然需要用实验来证明。2005年圣诞节前夕，我设计了一个实验，通过光学显微镜和原子力显微镜，直接观察大量纳米线的电压输出。我和我的学生共同完成了这一实验。在12月底的一个晚上，我们终于获得了一系列录像，直接证明我提出的纳米发电机模型是可行的。第二天，我和我的博士研究生宋金会（Jinhui Song）一起剪辑了这些录像，并将实验结果送交《科学》杂志发表。

　　     为了满足实际应用，纳米发电机要由纳米线阵列组成，所有纳米线都必须连续产生电能，而且这些电能可以被收集并被传递到器件。另外，要使纳米发电机能够在独立且无线的模式下工作，电能必须由存在于周围环境中的波动能或振动能转换而来。于是我们设计了一套全新的方案来解决这些问题。

　　      提高纳米发电机的输出功率是我们接下来要面对的巨大挑战。我们必须完成三方面的任务：xx对原子力显微镜的依赖；使大量纳米线同时且连续地输出电信号；通过诸如超声波之类的机械波来间接激发纳米线。我想出了一个新的设计：用锯齿状的电极来代替原子力显微镜针尖，并将这一想法告诉了我的博士后助手王旭东（Xudong Wang）。他花了4个月做实验，采集到了{dy}组实验数据。然而，结果令人失望，输出的电信号依然很小。2006年5月到10月，我们专注于优化纳米发电机的设计及封装工艺，以此来增大输出功率。到了年底，我们的努力有了收获——向科学界公开纳米发电机的时机终于到了。

　　

　　     我们的实验模型演示了通过压电纳米发电机连续输出直流电的过程，这在科学界尚属首次。纳米发电机由平行排列的氧化锌纳米线阵列和具有锯齿表面的镀铂硅电极构成。在电极上镀铂不仅可以增加导电性，而且可以形成类似二极管的电路，让电流只能单向地从金属流向半导体。电极放置在纳米线阵列上方，并且保持一定的距离。电极锯齿状表面就像是排列规则的显微镜探针阵列。在超声波的驱动下，锯齿状电极上下左右运动，导致纳米线弯曲，产生出电流。将电流汇聚起来，就可以带动外接器件。