王中林院士课题组等在《Nature》子刊发表新成果：摩擦纳米发电机在促进农业增产中的应用

 20世纪农业的化学革命极大地提高了作物产量，缓解了全球粮食短缺。然而，化肥和杀虫剂的滥用也给环境和人类健康造成了巨大的负担。因此，有必要开发新的增产技术，以帮助传统农业减少对农药的依赖，同时最大限度地保持农业产量的可持续增长。

相关研究表明，外部高压静电场不仅可以用来缩短植物种子的发芽期还能加速植物幼苗的生长。但是，商用的高压设备通常需要外部电源供电，而且在实际使用中存在着电路铺设困难、安装成本高和电击危险等问题，这大大限制了该类型技术在农业中的广泛应用。所以，开发出一种高效、免维护和生态友好的技术来增加农业生产，对实现社会的可持续发展具有重要的意义。

近年来，源于接触起电和静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机（TENG）在可再生能源领域得到了蓬勃发展。TENG具有输出电压高、成本低、重量轻、材料选择性广等优点，可以从外部环境收集各种机械能，实现大规模电子网络的自供能运作。TENG的应用已经渗透到我们日常生活的许多方面，包括微/纳米能源、自供电传感、以及蓝色能源等。

此外，由于TENG具有高电压和低电流的固有输出特性，因此它还可以直接用作许多高压应用的电源，如静电纺丝、介质润湿、空气负离子释放等。与传统高压电源相比，基于TENG的高压电源在安全性、成本效益和便携性方面具有独特的优势。因此，建立基于TENG技术的低成本、安全、可靠的作物增产系统是一种具有发展前景的方案。

研究成果

近期，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士课题组联合浙江大学的平建峰研究员, 报道了一种基于全天候摩擦纳米发电机（AW-TENG）的自供电电刺激系统（SESS），该系统集成了具有轴承和毛发结构TENG（BH-TENG）和雨滴驱动TENG（R-TENG），可用于提高农业产量。

图1. 全天候摩擦纳米发电机及其在作物电刺激生长中的应用

凭借轴承阵列间隔、毛刷和一体式结构设计，AW-TENG能够高效收集风和雨滴能量。这些独特设计避免了普通转盘式TENG中摩擦层的摩擦损耗以及长时间工作后静电力导致的启动风速增大，并大幅降低启动力矩（~90%），可实现超小启动风速（~0.5 m/s）以及微风驱动下的高电压持续输出（~3 kV）。

得益于其输出的稳定高压，AW-TENG可直接用于刺激植物生长，豌豆发芽速度和产量显著提高约26.3%和约17.9%。随后，通过测定植物的多种理化指标，研究人员还对电场加速作物生长的机理进行了系统的研究。

此外，通过收集风能和雨滴能等环境能量，AW-TENG还可用于农业环境中温湿度、土壤pH等参数的自供电监测，以优化和管理作物生长策略。这项工作展示了一种用于作物生长的自供电电刺激系统的创新概念，在未来农业领域中有着具有巨大的应用潜力。

该成果以“Stimulation of ambient energy generated electricalfield on crop plant growth”为题，发表在《自然-食品》上（Nature Food）。该文章的第一作者为博士研究生李逊甲，浙江大学平建峰研究员、北京纳米能源与系统研究所骆健俊博士、王中林院士为共同通讯作者。

该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、博士后创新人才支持计划等项目资助。