前段時間，愛因斯坦世界科學獎頒布，中國科學院大學的王中林教授獲得了愛因斯坦世界科學獎，這也是首位獲得此項國際大獎的華人科學家。

愛因斯坦世界科學獎以科學家阿爾伯特.愛因斯坦的名字命名，象徵著國際科學界的崇高榮譽。該獎項從1984年開始每年頒發1次，每次獲獎人數僅為1人。目的是表彰和鼓勵世界科學技術領域的重大研究進展，授予為人類帶來福祉的傑出科學家。之前已有35名科學家獲得此獎項，其中包括4位諾貝爾獎得主。

而王中林教授獲獎的理由是「有潛力徹底改變我們生活的每一個角落…...有望在不久的將來改變世界」。沒有錯，就是改變世界。

王中林教授為什麼這麼牛，在h-指數（h-index）中，納米領域的排名里，王中林教授居世界首位，h-指數199，被引頻次161538，遠遠超過第二名。（h-指數是一個混合量化指標，可用於評估研究人員的學術產出數量與學術產出水平）。

我接下來給你科普一些他的三項成就，可以說是心臟病患者、癌症患者的福音，而他的發明也有望顛覆世界能源發展。

納米發電機的發明者，未來將徹底消滅癌症

每一個取得偉大成就的人物，幾乎從出生就註定是天才，王中林也是如此。

1961年，王中林出生於陝西省蒲城縣高陽鎮，儘管初中和高中有三分之一的時間都在田裡泡著，可是他的成績卻非常不錯。

他也有幸趕上了高考恢復，1978年，王中林成功考入了西北電訊工程學院（現西安電子科技大學），王中林最初的志願是學習雷達、計算機，最終因為物理成績好，學校把他分到了物理專業。

1982年，考取中美聯合招收的物理研究生，成為當年西北五省唯一被CUSPEA（中美聯合培養物理類研究生計劃）錄取的學生，王中林僅用4年的時間到亞利桑那州立大學物理學博士，是該系有史以來第一人。如今的王中林已是中國科學院大學納米科學與技術學院院長、中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家，還是壓電電子學和壓電光電子學兩大學科的奠基人。

2005年的時候，王中林的一項發明，可以說是震驚了整個世界，那就是納米發電機。

1959年，物理學家理察·費曼發表《底部還有很大空間》（There『s Plenty of Room at the Bottom）演講，「納米」一詞被世界廣泛關注。如同厘米、分米和米一樣，納米也是長度的度量單位，1納米=10的負9次方米，相當於4倍原子大小，比單個細菌的長度還要小的多。

一直以來，科學家對於納米技術的研究一直十分熱門，納米技術就是指研究結構尺寸在1至100納米範圍內材料的性質和應用。

其中納米器件一直是納米學術界最前沿、最活躍的研究領域。因為它具有尺寸微小、功耗小，反映靈敏等宏觀器件所不具有的獨特優勢。

如果真正能讓這些微小器件工作起來，那麼必須要給它們輸入電能，而只有實現了自帶電源的納米器件才可視為真正的納米系統。

又因為納米系統具有微小而且可植入體內等特性，所以它的供電系統必須是小型化的。

不過科學家的研究一直局限於納米器件的本身，而沒有考慮為這些納米器件輸入電源的問題。

王中林早在1998年的時候就通過研究發現氧化鋅獨特的半導體、光學和生物學性能，具有其它納米材料不可替代的作用。

因此，他的研究小組一直致力於以氧化鋅為基礎的納米材料的合成和應用研究。2001年，他們在《科學》雜誌上報告首次合成氧化鋅半導體材料帶，這篇論文已被引用1100多次。之後，他們又研製出納米環、納米螺旋等器件。

2005年夏季的一天，王中林與他的學生用當時最高級的手段測試納米材料的壓電係數。這位學生做了整整一個夏天，得到的結果卻和王中林期待的不太一樣。

是方法錯了，假設錯了，還是計算錯了？當時王中林首先想到的是假設出了問題。

他同學生一起反覆研究，重新計算，最終發現了一個全新的方向：利用納米材料發電。但發電是需要能量的，而置入生物體的無線傳感器所需要的電源一般都是直接或者間接來源於電池。

王中林就思考，人在走路、呼吸時會產生能量，能否將人體自身產生的能量轉化為納米器件所需要的電能呢？

「如果有一種微型的裝置能將生物體內的生物能量轉化為電能輸送納米器件，同步實現器件和電源的小型化，是最為最理想的事。」

王中林和學生利用豎直結構的氧化鋅納米線的獨特性質，在原子力顯微鏡下研製出將機械能轉化為電能的納米發電機，這是目前世界上最小的發電裝置。這一納米發電機竟然能達到17%－30%的發電效率，為自發電的納米器件奠定了物理基礎。王中林也被稱為「納米發電機之父」。

納米發電機的問世可以說完全打破了人們對「發電機」尺寸的認識極限。因為納米發電機能實現對環境中特別微小機械能的進行收集和利用。

例如，空氣或水的流動、引擎的轉動、機器的運轉等引起的各種頻率的噪音、人行走時肌肉伸縮或腳對地的踩踏、甚至在人體內由於呼吸、心跳或血液流動帶來的體內某處壓力的細微變化，都可以帶動納米發電機產生電能。並將這些能量轉化為電能提供給納米器件。這一納米發電機所產生的電能足夠供給納米器件或系統所需，從而讓無納米器件或納米機器人實現能量自供。」

納米發電機是基於規則的氧化鋅納米線的納米發電機,是在納米範圍內將機械能轉化成電能，是世界上最小的發電機。圖/中國科學院北京納米能源與系統研究所網站

所以對於納米發電機的研究可以說成為了科學界的一個大熱門，在5G時代，納米發電機可以作為物聯網、傳感網絡、大數據時代的分布式移動式能源。

而它最為大家所知的一個意義就是為納米機器人提供能量，從而進行人體探索、精準藥物治療以及逐個殺死癌細胞。

安裝了納米發電機的機器人會在在病人體內穿梭，把藥物放置在單個的活細胞體內。，它們會負責逐個消滅癌細胞，還能夠識別哪些是好的細胞，不「濫殺無辜」。從而徹底消滅癌症。

2017年，中國哈爾濱工業大學的醫療納米機器人，已經完成了動物實驗，預計五年內便可進行臨床試驗。這種微型機器人體積與細胞相當，可以進入血管、視網膜等傳統醫療器械難以到達的地方，從血管內部對變異細胞進行清除。也就是說在 2030 年之前，人類就可以說真正消滅癌症。

而這其中王中林教授發明的納米發電機功不可沒。（納米發動機和納米發電機不一樣，就相當於手機一樣，納米發電機相當於處理器，納米發電機相當於電池）

摩擦納米發電機：心臟病患者的福音

2011年3月，王中林小組做納米發電機的學生向他彙報，說測試結果出現了問題，王中林排查原因，很快發現這是因為那個學生在做納米發電機的時候沒有封裝好所致。但這個簡單的「錯誤」卻引起了王中林的思考。

王中林和學生把設計方案改了又做、做了又改，經過半年的反覆打磨，他們終於發現了一個十分簡單卻非常有用的技術——摩擦納米發電機。利用這種摩擦來發電，終於讓「負效應」帶來了「正能量」。

小巧的「摩擦納米發電機」可以把人走路、說話、心跳，肌肉收縮等運動中由摩擦產生的能量收集起來，利用摩擦起電效應和靜電感應效應的耦合把微小的機械能轉換為電能。這是一種顛覆性的技術並具有史無前例的輸出性能和優點。它既用不著磁鐵也不用線圈，在製作中用到的是質輕、低密度並且價廉的高分子材料。

利用納米技術可以把環境中無時不有處處有的能量轉換為電能來帶動一些小型的電子器件，就可以製造出自驅動的微納系統。圖/中國科學院北京納米能源與系統研究所網站

摩擦納米發電機為一些設備供電。未來很多裝置在身體中的醫療器械就不再需要電池了，因為自驅動本身就是一種可以實現自己發電的技術。

要知道，植入式醫療器件仍然面臨許多問題亟待突破,首先就是長效能源供給問題。現階段植入式器件主要依靠電池供電，工作壽命有限，一旦電池耗盡，病人不得不再次面對巨大的手術風險和經濟負擔。因此，開發長效的在體能源供給系統對於植入式醫療器件的發展意義重大。

國際頂級學術期刊《自然—通訊》專門發表了一篇論文，介紹了王中林及其同事李舟副教授聯合研發的一款可植入式自驅動心臟起搏器：無需電池供能，僅從心臟搏動中就能收集足夠的能量，確保心臟起搏器工作。這意味著，患者不必再為更換電池失效的起搏器遭受多次手術之苦了。中美科學家團隊在豬體內證實，他們的可植入系統不僅可以進行心臟起搏，還能糾正竇性心律不齊。

如今，王中林、李舟等人研製出新一代、真正意義上的自驅動心臟起搏器——共生型心臟起搏器(SPM)。試驗顯示，目前在每一個心臟運動周期SPM可獲得能量0.495μJ(微焦耳)，高於心髒起搏器發出一次起搏電脈衝的閾值能量(通常為0.377μJ)。換句話說，SPM在每次心動周期所收集的能量已經超過了起搏人類心臟所需要的能量。

上圖: 植入式摩擦納米發電機驅動心臟起搏器工作系統流程圖(插圖為植入式摩擦納米發電機結構展示)下圖:由植入式摩擦納米發電機供能的心臟起搏器產生的電脈衝(插圖為脈衝刺激下心臟收縮和舒張的實效圖)

下一步，他們的研究重點是植入式器件的小型化、長效的生物安全性等，預計在5至10年內有望開展臨床試驗。到時候心臟病人就不用再為更換起搏器而煩惱了！

而王中林教授的摩擦納米發電機還解決了人類已知2600年老的科學問題：摩擦起電效應中的電子轉移機制。

接觸起電（摩擦起電）發現於古希臘時代，是一個古老和有趣的現象。雖然距今已有2600多年歷史，但是有關接觸起電的原理仍存有很多爭論。其中最重要的是，在起電過程中，電荷轉移是通過電子還是離子的轉移來實現以及為什麼產生的電荷可以長時間保留於材料表面。

迄今為止，仍未有一種令人信服的理論能夠用來揭示接觸起電的主導機制究竟源於電子還是離子轉移。值得注意的是，幾乎所有的與接觸起電有關的研究都集中在產生的電荷總量上，而很少有關於表面靜電量變化的實時探測或與溫度相關的研究，而這很可能是解決上述問題的關鍵。

王中林院士基於麥克斯韋位移電流原理提出的摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator，TENG）技術，可以精確的表征表面電荷密度，並可以實現不同溫度下的應用，這就為解決上述接觸起電中的難題提供了一種新思路。可以說解決了一道困擾人們2600年多年的難題。

提出顛覆性海洋能採集方式

隨著科技的日益進步，人類對於能源的需求也就進一步增大，而如何開發可持續性的能源一直是科學家所思考的問題。

其中對於海洋能源的探索更是其中的熱門，因為地球七成都是海洋，除了潮汐能之外，科學家還想利用海洋的波浪發電，波浪能又是海洋能中所占比重較大的海洋能源。海水的波浪運動產波浪發電生十分巨大的能量。據估算，世界海洋中的波浪能達700億千瓦，占全部海洋能量的94%，是各種海洋能中的「首戶」。

但是波浪能雖然無污染、可再生、儲量大、分布廣，但是一種密度低、不穩定、利用難。海洋波力發電開發困難重重。

海洋能的採集主要基於電磁感應的原理，利用海洋水流衝擊形成線圈對磁感線的切割來產生電能。然而，構成傳統電磁感應機的是重的磁鐵和線圈，放到水中後會往下沉，不能自然地浮在水體表面，除非從海底建立支撐塔架，但這樣會加大工程的難度和代價。由於海浪上下翻騰的不規則運動，使得傳統的電磁發電機難以收集波浪能。

王中林利用摩擦納米發電機的原理，為收集利用海洋能源提供了新的解決方案。摩擦納米發電機的輸出效率遠高於電磁發電機，非常適用於收集藍色能源，在緩慢流動和隨機方向的波流條件下能夠穩定輸出功率。

在此基礎上，中美兩國的研究人員合作發明出由摩擦發電機網絡組成的海洋能發電新技術。

藍色能源夢想是網狀聯結數以百萬計的可捕獲低頻海波能量的摩擦納米發電機。本圖是網絡狀虛擬結構圖，右上角是設計的球形納米發電機。圖/中國科學院北京納米能源與系統研究所網站

它們將摩擦發電機做成了球形，像網球一般大小。通過球中套球，外層的球在水中隨波浪晃來晃去，裡邊的球也隨波動晃來晃去，王中林表示：「摩擦納米發電機連起來像漁網一樣，在海水上下翻騰時可以回收大面積的波浪」。

這樣每個器件單元中的塑料球，能夠很有效、很靈敏地將海水錶面的波動轉換成自身的動能。滾動的小球，則能撞擊以觸發每個最小功能單元，將海水的波動能轉化成電能。

所以，該器件不僅可以對水流的機械能進行回收，還可以漂浮在水面上進行波動能的採集，不僅可以收集大風大浪的機械能，而且對小波動的能量也能進行有效採集。

從原理上區別於傳統電磁感應的摩擦納米發電機被科學家們視為「顛覆性的技術」，有可能從海浪中獲取大量能源以解決世界未來的能源需求」。並且在能源業內人士看來，這項技術適合大規模生產。

實驗測試表明，1平方公里的海洋能輸出，可以有望達到1.15兆瓦，相當於點亮10萬支10瓦的燈泡，如果做成2萬平方公里的發電網絡，發電量相當於三峽大壩的輸出電量。

因為這項成果，2018年10月，王中林斬獲了世界能源領域最權威、最負盛名的獎項埃尼獎，埃尼獎被譽為世界能源領域的「諾貝爾獎」，與計算機界圖靈獎、數學界的菲爾茲獎及沃爾夫獎等並稱為領域性的最高獎項。王中林是第一位獲得埃尼獎的華人科學家，也是全球唯一一位在短短一年時間同獲兩項國際大獎的科學家。

可以說，王中林教授對於中國納米技術領先全球做出了重要的貢獻，也期待他可以拿出更多的成果，造福全人類。