基本信息
- 项目名称：
- 一种面向生物体系的980 nm激光驱动的发电机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品利用980 nm激光具有较强的生物组织穿透性和稀土材料能将980 nm激光转换成可见光的特性，以980 nm激光作为光源，在传统的染料敏化太阳能电池内引入稀土上转换纳米晶薄膜（将980 nm激光转换成可以被染料敏化电池吸收利用的可见光），组装了一种面向生物体系的980 nm激光驱动的发电机。
- 详细介绍：
- 传统的光伏电池能够有效吸收紫外可见光来发电，但紫外可见光对生物组织的穿透能力很弱，因此传统的光伏电池很难应用于生物体系内的生物器件；而近红外光（如980 nm激光）具有很强的生物组织穿透性，遗憾的是近红外光却不能被传统的光伏电池吸收利用。基于稀土上转换材料可以将980 nm激光转换成可见光的特性，我们将稀土上转换材料引入到传统光伏电池中，开发了一种面向生物体系的980 nm激光驱动的发电机。这种基于稀土上转换材料的光伏电池鲜有报道，更没有在生物体内利用稀土上转换发光特性发电的报道。作品中的发电机可以为生物体系内各种以电能驱动的生物器件（如机器人、心脏起搏器等）提供电能，在实时诊断和治疗方面将有广泛的应用。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计目的：外科手术在治疗疾病的同时也给病人带来很多痛苦，医护人员和病人都希望通过微创手术或不开刀的方式对疾病进行治疗。随着科技的发展，采用生物器件对病灶进行处理就是一个很好的医疗手段。而操纵大部分生物器件需要充足的能源支持。我们研究的目的是开发能应用于生物体系的发电机，为生物器件提供足够的驱动力。 基本思路：传统的光伏电池能够有效吸收紫外可见光来发电，但紫外可见光对生物组织的穿透能力很弱，因此传统的光伏电池很难应用于生物体系内的生物器件；而近红外光（如980 nm激光）具有很强的生物组织穿透性，遗憾的是近红外光却不能被传统的光伏电池吸收利用。基于稀土上转换材料可以将980 nm激光转换成可见光的特性，我们将稀土上转换材料引入到传统光伏电池中，开发了一种面向生物体系的980 nm激光驱动的发电机。 创新点：1. 利用980 nm激光具有较强的生物组织穿透性这一特性，将980 nm激光作为生物体系内光电转换器件的光源，进一步转换成通用的电能。2. 在传统的染料敏化电池内引入一层稀土上转换纳米晶薄膜，组装了一种面向生物体系的980 nm激光驱动的发电机。 技术关键：1. 提高稀土上转换纳米材料的发光强度。2. 组装高效的面向生物体系的980 nm激光驱动的发电机。通过优化组装器件的参数提高发电机的输出功率。 主要技术指标：1. 所组装的980 nm激光驱动的发电机至少输出μW量级的功率。2. 所组装的发电机在生物组织覆盖的条件下仍然需要输出μW量级的功率。
科学性、先进性
- 人们理论上设计了几种将环境能量转化为电能的生物发电机。王中林教授课题组在实验上取得重大突破，他们利用氧化锌纳米线的压电效应成功开发了一种纳米发电机，它可以通过超声波、机械振动等多种能源形式获得能量，进而产生电能。但是其最大输出功率为0.01 μW，还不足以驱动较复杂的生物器件(如纳米机器人： ~1 μW)。因此，还需要进一步研究和开发新型高效、适用于生物体系的发电机。 除了将机械能转化为电能的发电机外，科学家还利用各种半导体异质结的光电转换特性，发展了多种高效的光伏电池，但这些光伏电池主要通过吸收紫外可见光来产生电能。由于紫外可见光不能有效地穿透生物组织，因而传统的光伏电池不能应用于生物体系，更难以成为生物体系内生物器件的电源。 本作品利用980 nm激光具有较强的生物组织穿透性和稀土上转换材料能将980 nm激光转换成可见光的特性，组装了一种面向生物体系的980 nm激光驱动的发电机。这种基于稀土上转换材料的光伏电池鲜有报道，更没有在生物体内利用稀土上转换发光特性发电的报道。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 拟以专利方式转让
作品可展示的形式
- 实物、产品；图片；录像；样品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：1. 用于激发稀土上转换材料的近红外光具有很强的生物组织穿透性，对生物组织破坏作用极弱，因此进入生物体内的近红外光(如980 nm激光)非常适合作为发电机的驱动光源。2. 在传统的染料敏化电池中引入稀土上转换纳米晶薄膜，使传统光伏电池可以广泛地应用于生物体系内的生物器件上。 适用范围及推广前景：我们组装的980 nm激光驱动的发电机可以广泛地应用于生物体系内的生物器件。如可以为心脏起搏器充电，无需再以手术的方式更换电池；可以驱动生物机器人将药物、基因载体等输送到指定位置，从而实现微创手术或以非手术的方式进行疾病去除。因此，本作品对生物器件和生物医疗技术的发展具有重要的意义。 市场分析及经济效益预测：目前，在医学领域，人们希望开发用于生物体系内的生物器件（如生物机器人等），潜入生物体内进行疾病检查和微创治疗。而如何为生物器件提供足够驱动力成为其中的一项难题。因此开发能够用于生物器件的新型发电机成为市场的主要需求之一。这种发电机将为生物器件的开发和推广提供新方法和新思路。
同类课题研究水平概述
- 目前，人们理论上设计了几种将环境能量转化为电能的生物发电机。王中林教授课题组在实验上取得重大突破，他们利用ZnO纳米线的压电效应成功开发了一种发电机，它可以通过超声波、机械振动甚至血液流动等多种来源获得能量，进而产生持续电能。如单根ZnO纳米线产生的发电功率(Pmax)1~4 fW；有效面积为2×3 mm2的ZnO纳米线阵列组装的纳米发电机，优化后最大输出功率0.01μW。ZnO纳米线基发电机能够提供电能，但是其输出功率还不足以驱动较复杂的生物器件（如纳米机器人：~1 μW)。因此，还需要进一步研究和开发新型高效、适用于生物体系的发电机。 除了将机械能转化为电能的发电机外，科学家很早就利用各种半导体异质结的光电转换特性，发展了多种高效的光伏电池。这些传统的光伏电池主要通过吸收紫外可见光来产生电能。遗憾的是，紫外可见光不能有效地穿透生物组织，因而传统的光伏电池不能应用于生物体系，更难以成为生物体系内生物器件的电源。 值得注意的是，在700~1000 nm的近红外光谱范围内，生物组织具有高散射、低吸收的特性；例如近红外光可以穿过头皮和颅骨深入脑组织，980 nm 激光可以穿过几厘米厚的生物组织等，因此近红外光已经广泛应用于生物研究和疾病诊断。但是传统光伏电池所用的吸光材料，例如硅和有机染料等，不能有效地吸收近红外光来产生电能。相反，一些稀土上转换材料能够有效地吸收近红外光，通过上转换机制（一种吸收两个或两个以上的低能光子发射出一个高能光子的物理过程）发射可见光。这一特性使得稀土上转换材料广泛应用于上转换激光器、红外探测、生物检测等诸多领域。但是基于稀土上转换材料的光伏电池鲜有报道，更没有在生物体内利用稀土上转换发光特性来发电的报道。 本作品利用980 nm激光具有很强的生物组织穿透性和稀土上转换材料能将980 nm激光转换成可见光的特性，以980 nm激光作为光源，在传统的染料敏化纳米晶太阳能电池内引入稀土上转换纳米晶薄膜，组装了一种面向生物体系的980 nm激光驱动的发电机（980LDG）。该980LDG最大输出功率为66 µW，在1 mm厚生物组织（例如鸡皮）的覆盖下，该980LDG依然能够产生39 µW的最大发电功率，足以驱动纳米机器人等生物器件。因而这类980LDG 具有为生物器件供电的光明应用前景。
