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基本信息

項(xiàng)目名稱：
一種面向生物體系的980 nm激光驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)
小類：
能源化工
簡介：
本作品利用980 nm激光具有較強(qiáng)的生物組織穿透性和稀土材料能將980 nm激光轉(zhuǎn)換成可見光的特性，以980 nm激光作為光源，在傳統(tǒng)的染料敏化太陽能電池內(nèi)引入稀土上轉(zhuǎn)換納米晶薄膜（將980 nm激光轉(zhuǎn)換成可以被染料敏化電池吸收利用的可見光），組裝了一種面向生物體系的980 nm激光驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。
詳細(xì)介紹：
傳統(tǒng)的光伏電池能夠有效吸收紫外可見光來發(fā)電，但紫外可見光對生物組織的穿透能力很弱，因此傳統(tǒng)的光伏電池很難應(yīng)用于生物體系內(nèi)的生物器件；而近紅外光（如980 nm激光）具有很強(qiáng)的生物組織穿透性，遺憾的是近紅外光卻不能被傳統(tǒng)的光伏電池吸收利用?；谙⊥辽限D(zhuǎn)換材料可以將980 nm激光轉(zhuǎn)換成可見光的特性，我們將稀土上轉(zhuǎn)換材料引入到傳統(tǒng)光伏電池中，開發(fā)了一種面向生物體系的980 nm激光驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。這種基于稀土上轉(zhuǎn)換材料的光伏電池鮮有報(bào)道，更沒有在生物體內(nèi)利用稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性發(fā)電的報(bào)道。作品中的發(fā)電機(jī)可以為生物體系內(nèi)各種以電能驅(qū)動(dòng)的生物器件（如機(jī)器人、心臟起搏器等）提供電能，在實(shí)時(shí)診斷和治療方面將有廣泛的應(yīng)用。

作品圖片

  • 一種面向生物體系的980 nm激光驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

作品設(shè)計(jì)目的：外科手術(shù)在治療疾病的同時(shí)也給病人帶來很多痛苦，醫(yī)護(hù)人員和病人都希望通過微創(chuàng)手術(shù)或不開刀的方式對疾病進(jìn)行治療。隨著科技的發(fā)展，采用生物器件對病灶進(jìn)行處理就是一個(gè)很好的醫(yī)療手段。而操縱大部分生物器件需要充足的能源支持。我們研究的目的是開發(fā)能應(yīng)用于生物體系的發(fā)電機(jī)，為生物器件提供足夠的驅(qū)動(dòng)力。 基本思路：傳統(tǒng)的光伏電池能夠有效吸收紫外可見光來發(fā)電，但紫外可見光對生物組織的穿透能力很弱，因此傳統(tǒng)的光伏電池很難應(yīng)用于生物體系內(nèi)的生物器件；而近紅外光（如980 nm激光）具有很強(qiáng)的生物組織穿透性，遺憾的是近紅外光卻不能被傳統(tǒng)的光伏電池吸收利用?；谙⊥辽限D(zhuǎn)換材料可以將980 nm激光轉(zhuǎn)換成可見光的特性，我們將稀土上轉(zhuǎn)換材料引入到傳統(tǒng)光伏電池中，開發(fā)了一種面向生物體系的980 nm激光驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。 創(chuàng)新點(diǎn)：1. 利用980 nm激光具有較強(qiáng)的生物組織穿透性這一特性，將980 nm激光作為生物體系內(nèi)光電轉(zhuǎn)換器件的光源，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成通用的電能。2. 在傳統(tǒng)的染料敏化電池內(nèi)引入一層稀土上轉(zhuǎn)換納米晶薄膜，組裝了一種面向生物體系的980 nm激光驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。 技術(shù)關(guān)鍵：1. 提高稀土上轉(zhuǎn)換納米材料的發(fā)光強(qiáng)度。2. 組裝高效的面向生物體系的980 nm激光驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。通過優(yōu)化組裝器件的參數(shù)提高發(fā)電機(jī)的輸出功率。 主要技術(shù)指標(biāo)：1. 所組裝的980 nm激光驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)至少輸出μW量級(jí)的功率。2. 所組裝的發(fā)電機(jī)在生物組織覆蓋的條件下仍然需要輸出μW量級(jí)的功率。

科學(xué)性、先進(jìn)性

人們理論上設(shè)計(jì)了幾種將環(huán)境能量轉(zhuǎn)化為電能的生物發(fā)電機(jī)。王中林教授課題組在實(shí)驗(yàn)上取得重大突破，他們利用氧化鋅納米線的壓電效應(yīng)成功開發(fā)了一種納米發(fā)電機(jī)，它可以通過超聲波、機(jī)械振動(dòng)等多種能源形式獲得能量，進(jìn)而產(chǎn)生電能。但是其最大輸出功率為0.01 μW，還不足以驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜的生物器件(如納米機(jī)器人： ~1 μW)。因此，還需要進(jìn)一步研究和開發(fā)新型高效、適用于生物體系的發(fā)電機(jī)。 除了將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)外，科學(xué)家還利用各種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的光電轉(zhuǎn)換特性，發(fā)展了多種高效的光伏電池，但這些光伏電池主要通過吸收紫外可見光來產(chǎn)生電能。由于紫外可見光不能有效地穿透生物組織，因而傳統(tǒng)的光伏電池不能應(yīng)用于生物體系，更難以成為生物體系內(nèi)生物器件的電源。 本作品利用980 nm激光具有較強(qiáng)的生物組織穿透性和稀土上轉(zhuǎn)換材料能將980 nm激光轉(zhuǎn)換成可見光的特性，組裝了一種面向生物體系的980 nm激光驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。這種基于稀土上轉(zhuǎn)換材料的光伏電池鮮有報(bào)道，更沒有在生物體內(nèi)利用稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性發(fā)電的報(bào)道。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

無

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

擬以專利方式轉(zhuǎn)讓

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品；圖片；錄像；樣品。

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢：1. 用于激發(fā)稀土上轉(zhuǎn)換材料的近紅外光具有很強(qiáng)的生物組織穿透性，對生物組織破壞作用極弱，因此進(jìn)入生物體內(nèi)的近紅外光(如980 nm激光)非常適合作為發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)光源。2. 在傳統(tǒng)的染料敏化電池中引入稀土上轉(zhuǎn)換納米晶薄膜，使傳統(tǒng)光伏電池可以廣泛地應(yīng)用于生物體系內(nèi)的生物器件上。 適用范圍及推廣前景：我們組裝的980 nm激光驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)可以廣泛地應(yīng)用于生物體系內(nèi)的生物器件。如可以為心臟起搏器充電，無需再以手術(shù)的方式更換電池；可以驅(qū)動(dòng)生物機(jī)器人將藥物、基因載體等輸送到指定位置，從而實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)或以非手術(shù)的方式進(jìn)行疾病去除。因此，本作品對生物器件和生物醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。 市場分析及經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測：目前，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，人們希望開發(fā)用于生物體系內(nèi)的生物器件（如生物機(jī)器人等），潛入生物體內(nèi)進(jìn)行疾病檢查和微創(chuàng)治療。而如何為生物器件提供足夠驅(qū)動(dòng)力成為其中的一項(xiàng)難題。因此開發(fā)能夠用于生物器件的新型發(fā)電機(jī)成為市場的主要需求之一。這種發(fā)電機(jī)將為生物器件的開發(fā)和推廣提供新方法和新思路。

同類課題研究水平概述

目前，人們理論上設(shè)計(jì)了幾種將環(huán)境能量轉(zhuǎn)化為電能的生物發(fā)電機(jī)。王中林教授課題組在實(shí)驗(yàn)上取得重大突破，他們利用ZnO納米線的壓電效應(yīng)成功開發(fā)了一種發(fā)電機(jī)，它可以通過超聲波、機(jī)械振動(dòng)甚至血液流動(dòng)等多種來源獲得能量，進(jìn)而產(chǎn)生持續(xù)電能。如單根ZnO納米線產(chǎn)生的發(fā)電功率(Pmax)1~4 fW；有效面積為2×3 mm2的ZnO納米線陣列組裝的納米發(fā)電機(jī)，優(yōu)化后最大輸出功率0.01μW。ZnO納米線基發(fā)電機(jī)能夠提供電能，但是其輸出功率還不足以驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜的生物器件（如納米機(jī)器人：~1 μW)。因此，還需要進(jìn)一步研究和開發(fā)新型高效、適用于生物體系的發(fā)電機(jī)。 除了將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)外，科學(xué)家很早就利用各種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的光電轉(zhuǎn)換特性，發(fā)展了多種高效的光伏電池。這些傳統(tǒng)的光伏電池主要通過吸收紫外可見光來產(chǎn)生電能。遺憾的是，紫外可見光不能有效地穿透生物組織，因而傳統(tǒng)的光伏電池不能應(yīng)用于生物體系，更難以成為生物體系內(nèi)生物器件的電源。 值得注意的是，在700~1000 nm的近紅外光譜范圍內(nèi)，生物組織具有高散射、低吸收的特性；例如近紅外光可以穿過頭皮和顱骨深入腦組織，980 nm 激光可以穿過幾厘米厚的生物組織等，因此近紅外光已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物研究和疾病診斷。但是傳統(tǒng)光伏電池所用的吸光材料，例如硅和有機(jī)染料等，不能有效地吸收近紅外光來產(chǎn)生電能。相反，一些稀土上轉(zhuǎn)換材料能夠有效地吸收近紅外光，通過上轉(zhuǎn)換機(jī)制（一種吸收兩個(gè)或兩個(gè)以上的低能光子發(fā)射出一個(gè)高能光子的物理過程）發(fā)射可見光。這一特性使得稀土上轉(zhuǎn)換材料廣泛應(yīng)用于上轉(zhuǎn)換激光器、紅外探測、生物檢測等諸多領(lǐng)域。但是基于稀土上轉(zhuǎn)換材料的光伏電池鮮有報(bào)道，更沒有在生物體內(nèi)利用稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性來發(fā)電的報(bào)道。 本作品利用980 nm激光具有很強(qiáng)的生物組織穿透性和稀土上轉(zhuǎn)換材料能將980 nm激光轉(zhuǎn)換成可見光的特性，以980 nm激光作為光源，在傳統(tǒng)的染料敏化納米晶太陽能電池內(nèi)引入稀土上轉(zhuǎn)換納米晶薄膜，組裝了一種面向生物體系的980 nm激光驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)（980LDG）。該980LDG最大輸出功率為66 μW，在1 mm厚生物組織（例如雞皮）的覆蓋下，該980LDG依然能夠產(chǎn)生39 μW的最大發(fā)電功率，足以驅(qū)動(dòng)納米機(jī)器人等生物器件。因而這類980LDG 具有為生物器件供電的光明應(yīng)用前景。
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