前段时间，爱因斯坦世界科学奖颁布，中国科学院大学的王中林教授获得了爱因斯坦世界科学奖，这也是首位获得此项国际大奖的华人科学家。

爱因斯坦世界科学奖以科学家阿尔伯特.爱因斯坦的名字命名，象征着国际科学界的崇高荣誉。该奖项从1984年开始每年颁发1次，每次获奖人数仅为1人。目的是表彰和鼓励世界科学技术领域的重大研究进展，授予为人类带来福祉的杰出科学家。之前已有35名科学家获得此奖项，其中包括4位诺贝尔奖得主。

而王中林教授获奖的理由是“有潜力彻底改变我们生活的每一个角落…...有望在不久的将来改变世界”。没有错，就是改变世界。

王中林教授为什么这么牛，在h-指数（h-index）中，纳米领域的排名里，王中林教授居世界首位，h-指数199，被引频次161538，远远超过第二名。（h-指数是一个混合量化指标，可用于评估研究人员的学术产出数量与学术产出水平）。

我接下来给你科普一些他的三项成就，可以说是心脏病患者、癌症患者的福音，而他的发明也有望颠覆世界能源发展。

纳米发电机的发明者，未来将彻底消灭癌症

每一个取得伟大成就的人物，几乎从出生就注定是天才，王中林也是如此。

1961年，王中林出生于陕西省蒲城县高阳镇，尽管初中和高中有三分之一的时间都在田里泡着，可是他的成绩却非常不错。

他也有幸赶上了高考恢复，1978年，王中林成功考入了西北电讯工程学院（现西安电子科技大学），王中林最初的志愿是学习雷达、计算机，最终因为物理成绩好，学校把他分到了物理专业。

1982年，考取中美联合招收的物理研究生，成为当年西北五省唯一被CUSPEA（中美联合培养物理类研究生计划）录取的学生，王中林仅用4年的时间到亚利桑那州立大学物理学士，是该系有史以来第一人。如今的王中林已是中国科学院大学纳米科学与技术学院院长、中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家，还是压电电子学和压电光电子学两大学科的奠基人。

2005年的时候，王中林的一项发明，可以说是震惊了整个世界，那就是纳米发电机。

1959年，物理学家理查德·费曼发表《底部还有很大空间》（There‘s Plenty of Room at the Bottom）演讲，“纳米”一词被世界广泛关注。如同厘米、分米和米一样，纳米也是长度的度量单位，1纳米=10的负9次方米，相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小的多。

一直以来，科学家对于纳米技术的研究一直十分热门，纳米技术就是指研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。

其中纳米器件一直是纳米学术界最前沿、最活跃的研究领域。因为它具有尺寸微小、功耗小，反映灵敏等宏观器件所不具有的独特优势。

如果真正能让这些微小器件工作起来，那么必须要给它们输入电能，而只有实现了自带电源的纳米器件才可视为真正的纳米系统。

又因为纳米系统具有微小而且可植入体内等特性，所以它的供电系统必须是小型化的。

不过科学家的研究一直局限于纳米器件的本身，而没有考虑为这些纳米器件输入电源的问题。

王中林早在1998年的时候就通过研究发现氧化锌独特的半导体、光学和生物学性能，具有其它纳米材料不可替代的作用。

，他的研究小组一直致力于以氧化锌为基础的纳米材料的合成和应用研究。2001年，他们在《科学》杂志上报告合成氧化锌半导体材料带，这篇论文已被引用1100多次。之后，他们又研制出纳米环、纳米螺旋等器件。

2005年夏季的一天，王中林与他的学生用当时最高级的手段测试纳米材料的压电系数。这位学生做了整整一个夏天，得到的结果却和王中林期待的不太一样。

是方法错了，假设错了，还是计算错了？当时王中林想到的是假设出了问题。

他同学生一起反复研究，重新计算，最终发现了一个全新的方向利用纳米材料发电。但发电是需要能量的，而置入生物体的无线传感器所需要的电源一般都是直接或者间接来源于电池。

王中林就思考，人在走路、呼吸时会产生能量，能否将人体自身产生的能量转化为纳米器件所需要的电能呢？

“如果有一种微型的装置能将生物体内的生物能量转化为电能输送纳米器件，同步实现器件和电源的小型化，是最为最理想的事。”

王中林和学生利用竖直结构的氧化锌纳米线的独特性质，在原子力显微镜下研制出将机械能转化为电能的纳米发电机，这是目前世界上最小的发电装置。这一纳米发电机竟然能达到17%－30%的发电效率，为自发电的纳米器件奠定了物理基础。王中林也被称为“纳米发电机之父”。

纳米发电机的问世可以说完全打破了人们对“发电机”尺寸的认识极限。因为纳米发电机能实现对环境中特别微小机械能的进行收集和利用。

例如，空气或水的流动、引擎的转动、机器的运转等引起的各种频率的噪音、人行走时肌肉伸缩或脚对地的踩踏、甚至在人体内由于呼吸、心跳或血液流动带来的体内某处压力的细微变化，都可以带动纳米发电机产生电能。并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，从而让无纳米器件或纳米机器人实现能量自供。”

纳米发电机是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机,是在纳米范围内将机械能转化成电能，是世界上最小的发电机。图/中国科学院北京纳米能源与系统研究所网站

所以对于纳米发电机的研究可以说成为了科学界的一个大热门，在5G时代，纳米发电机可以作为物联网、传感网络、大数据时代的分布式移动式能源。

而它最为大家所知的一个意义就是为纳米机器人提供能量，从而进行人体探索、精准药物治疗以及逐个杀死癌细胞。

安装了纳米发电机的机器人会在在病人体内穿梭，把药物放置在单个的活细胞体内。，它们会负责逐个消灭癌细胞，还能够识别哪些是好的细胞，不“滥杀无辜”。从而彻底消灭癌症。

2017年，中国哈尔滨工业大学的医疗纳米机器人，已经完成了动物实验，预计五年内便可进行临床试验。这种微型机器人体积与细胞相当，可以进入血管、视网膜等传统医疗器械难以到达的地方，从血管内部对变异细胞进行清除。也就是说在 2030 年之前，人类就可以说真正消灭癌症。

而这其中王中林教授发明的纳米发电机功不可没。（纳米发动机和纳米发电机不一样，就相当于手机一样，纳米发电机相当于处理器，纳米发电机相当于电池）

摩擦纳米发电机心脏病患者的福音

2011年3月，王中林小组做纳米发电机的学生向他汇报，说测试结果出现了问题，王中林排查原因，很快发现这是因为那个学生在做纳米发电机的时候没有封装好所致。但这个简单的“错误”却引起了王中林的思考。

王中林和学生把设计方案改了又做、做了又改，经过半年的反复打磨，他们终于发现了一个十分简单却非常有用的技术——摩擦纳米发电机。利用这种摩擦来发电，终于让“负效应”带来了“正能量”。

小巧的“摩擦纳米发电机”可以把人走路、说话、心跳，肌肉收缩等运动中由摩擦产生的能量收集起来，利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能。这是一种颠覆性的技术并具有史无前例的输出性能和优点。它既用不着磁铁也不用线圈，在制作中用到的是质轻、低密度并且价廉的高分子材料。

利用纳米技术可以把环境中无时不有处处有的能量转换为电能来带动一些小型的电子器件，就可以制造出自驱动的微纳系统。图/中国科学院北京纳米能源与系统研究所网站

摩擦纳米发电机为一些设备供电。未来很多装置在身体中的医疗器械就不再需要电池了，因为自驱动本身就是一种可以实现自己发电的技术。

要知道，植入式医疗器件仍然面临许多问题亟待突破,就是长效能源供给问题。现阶段植入式器件主要依靠电池供电，工作寿命有限，一旦电池耗尽，病人不得不面对巨大的手术风险和经济负担。，开发长效的在体能源供给系统对于植入式医疗器件的发展意义重大。

国际顶级学术期刊《自然—通讯》专门发表了一篇论文，介绍了王中林及其同事李舟副教授联合研发的一款可植入式自驱动心脏起搏器无需电池供能，仅从心脏搏动中就能收集足够的能量，确保心脏起搏器工作。这意味着，患者不必再为更换电池失效的起搏器遭受多次手术之苦了。中美科学家团队在猪体内证实，他们的可植入系统不仅可以进行心脏起搏，还能纠正窦性心律不齐。

如今，王中林、李舟等人研制出新一代、真正意义上的自驱动心脏起搏器——共生型心脏起搏器(SPM)。试验显示，目前在每一个心脏运动周期SPM可获得能量0.495μJ(微焦耳)，高于心脏起搏器发出一次起搏电脉冲的阈值能量(通常为0.377μJ)。换句话说，SPM在每次心动周期所收集的能量已经超过了起搏人类心脏所需要的能量。

上图: 植入式摩擦纳米发电机驱动心脏起搏器工作系统流程图(插图为植入式摩擦纳米发电机结构展示)下图:由植入式摩擦纳米发电机供能的心脏起搏器产生的电脉冲(插图为脉冲刺激下心脏收缩和舒张的实效图)

下一步，他们的研究重点是植入式器件的小型化、长效的生物安全性等，预计在5至10年内有望开展临床试验。到时候心脏病人就不用再为更换起搏器而烦恼了！

而王中林教授的摩擦纳米发电机还解决了人类已知2600年老的科学问题摩擦起电效应中的电子转移机制。

接触起电（摩擦起电）发现于古希腊时代，是一个古老和有趣的现象。虽然距今已有2600多年历史，有关接触起电的原理仍存有很多争论。其中最重要的是，在起电过程中，电荷转移是通过电子还是离子的转移来实现以及为什么产生的电荷可以长时间保留于材料表面。

迄今为止，仍未有一种令人信服的理论能够用来揭示接触起电的主导机制究竟源于电子还是离子转移。值得注意的是，几乎所有的与接触起电有关的研究都集中在产生的电荷总量上，而很少有关于表面静电量变化的实时探测或与温度相关的研究，而这很可能是解决上述问题的关键。

王中林院士基于麦克斯韦位移电流原理提出的摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator，TENG）技术，可以精确的表征表面电荷密度，并可以实现不同温度下的应用，这就为解决上述接触起电中的难题提供了一种新思路。可以说解决了一道困扰人们2600年多年的难题。

提出颠覆性海洋能采集方式

随着科技的日益进步，人类对于能源的需求也就进一步增大，而如何开发可持续性的能源一直是科学家所思考的问题。

其中对于海洋能源的探索更是其中的热门，因为地球七成都是海洋，除了潮汐能之外，科学家还想利用海洋的波浪发电，波浪能又是海洋能中所占比重较大的海洋能源。海水的波浪运动产波浪发电生十分巨大的能量。据估算，世界海洋中的波浪能达700亿千瓦，占全部海洋能量的94%，是各种海洋能中的“首户”。

波浪能虽然无污染、可再生、储量大、分布广，一种密度低、不稳定、利用难。海洋波力发电开发困难重重。

海洋能的采集主要基于电磁感应的原理，利用海洋水流冲击形成线圈对磁感线的切割来产生电能。，构成传统电磁感应机的是重的磁铁和线圈，放到水中后会往下沉，不能自然地浮在水体表面，除非从海底建立支撑塔架，但这样会加大工程的难度和代价。由于海浪上下翻腾的不规则运动，使得传统的电磁发电机难以收集波浪能。

王中林利用摩擦纳米发电机的原理，为收集利用海洋能源提供了新的解决方案。摩擦纳米发电机的输出效率远高于电磁发电机，非常适用于收集蓝色能源，在缓慢流动和随机方向的波流条件下能够稳定输出功率。

在此基础上，中美两国的研究人员合作发明出由摩擦发电机网络组成的海洋能发电新技术。

蓝色能源梦想是网状联结数以百万计的可捕获低频海波能量的摩擦纳米发电机。本图是网络状虚拟结构图，右上角是设计的球形纳米发电机。图/中国科学院北京纳米能源与系统研究所网站

它们将摩擦发电机做成了球形，像网球一般大小。通过球中套球，外层的球在水中随波浪晃来晃去，里边的球也随波动晃来晃去，王中林表示“摩擦纳米发电机连起来像渔网一样，在海水上下翻腾时可以回收大面积的波浪”。

这样每个器件单元中的塑料球，能够很有效、很灵敏地将海水表面的波动转换成自身的动能。滚动的小球，则能撞击以触发每个最小功能单元，将海水的波动能转化成电能。

所以，该器件不仅可以对水流的机械能进行回收，还可以漂浮在水面上进行波动能的采集，不仅可以收集大风大浪的机械能，而且对小波动的能量也能进行有效采集。

从原理上区别于传统电磁感应的摩擦纳米发电机被科学家们视为“颠覆性的技术”，有可能从海浪中获取大量能源以解决世界未来的能源需求”。并且在能源业内人士看来，这项技术适合大规模生产。

实验测试表明，1平方公里的海洋能输出，可以有望达到1.15兆瓦，相当于点亮10万支10瓦的灯泡，如果做成2万平方公里的发电网络，发电量相当于三峡大坝的输出电量。

因为这项成果，2018年10月，王中林斩获了世界能源领域最权威、最负盛名的奖项埃尼奖，埃尼奖被誉为世界能源领域的“诺贝尔奖”，与计算机界图灵奖、数学界的菲尔兹奖及沃尔夫奖等并称为领域性的最高奖项。王中林是第一位获得埃尼奖的华人科学家，也是全球唯一一位在短短一年时间同获两项国际大奖的科学家。

可以说，王中林教授对于中国纳米技术领先全球做出了重要的贡献，也期待他可以拿出更多的成果，造福全人类。