阿拉伯國王科技大學電子工程學教授穆罕默德˙穆塔法˙侯賽因，為制造超微裝置貢獻了幾乎他所有的時間。2010年，他著手開發一個豐富的可再生能源電源，可用于從極遠的地方凈化水或診斷**的機器，他不可避免地從“小”入手。比如說，微小的微生物燃料電池可能是個自然的起點。但用唾液為燃料電池供能卻并非自然而然的選擇。

這個利用唾液的點子來自侯賽因的同事賈斯汀E˙閔科，當時是他辦公室的博士候選人。那時候，閔科正在嘗試制造一種血糖監測設備，它需要電源足夠小，能到達糖尿病患者體內胰腺附近。微生物燃料電池通過給**喂食有機物(唾液中含有很多)來產生電荷進而變成電能的，這個方案自然成為閔科研究項目的備選。

他們兩個人用了一種高超導電極，裝滿了吃唾液的**，在幾個星期之內他們就產生了近一個微瓦特(百萬分之一瓦特)的電。

1微瓦是非常非常小的電量，但是足夠為實驗室芯片、糖尿病工具和血糖監測工具供電了。侯賽因正在與能3D打印人造器官的公司合作，將他的燃料電池植入到人造肝臟中去，那里也有大量的體液可提供燃料。他說，這只是長期規劃的簡單起步，他的目標是在貧窮國家用發電廠有機廢物生產供海水淡化裝置使用的電能。

原子尺度的樂高積木

——堆疊1個原子厚的材料能創造出全新屬性物質，開創無限可能

這個想法*初受到樂高積木的啟發，樂高是用一種小型的塊狀積木對齊在一起。那些積木塊已經變成了不可思議的汽車、精心打造的城堡和許多其他作品，相比較積木塊本身，這些作品更具魅力。

今天，科學家用一種新型樂高——原子尺度的“積木塊”生產新型的材料。這些新的結構元素是一片一片的材料，可以薄到僅有一個原子的厚度，還能按照設計過的**序列一個一個往上堆疊。這種****的結構控制能生產出帶有電學和光學性質的物質，這在此前是沒法實現的。它的出現，讓科學家可以想象出用非常微弱的導電材料制成的裝置，比如更快更強勁的電子計算機，可彎曲、折疊且超輕快的可穿戴電子設備。

這個技術突破是2010年諾貝爾物理學獎獲得者、英國曼徹斯特大學物理學家安德瑞K˙金的石墨烯相關研究的延續。2004年，他和同事從笨重的石墨塊中分離出了單張六面體結構的石墨烯層，此后十年間，很多學者用這種辦法分離出很多種類型的大塊晶體結構，云母就是一個例子，其外來名字為六角氮化硼和二硫化鉬材料。

這些晶體層被認為是二維的，因為一個單原子是所有材料所能達到的*小厚度了。其他維度、寬度、長度可以更大一些，這取決于制作者的愿望。

在過去的幾年中，二維晶體因為能夠展現很多獨特的性質，已經成為材料科學和固體物理學領域的熱門話題。

我們可以把這些材料層堆疊的很穩固，它們不是以傳統的方式結合在一起，而是用共享電子的共價鍵。但是原子在互相很靠近的時候，這些原子由于眾所周知的范德華弱拉力的作用，又結合在了一起。這個力通常不足以將原子和分子控制住，但是因為二維層原子如此密集和靠近，因此累積起來的力量變得很強大。

這類材料工程提供了誘人的可能性，想象一下室溫超導體。輸電沒有能量損失一直是科學家的目標。如果能做到這一點的材料被找到，將對我們人類文明產生深遠的影響。有一個共識是，原則上可以達到這個目標，但是沒人知道如何達到。今天，材料可以具有超導性能的*高溫度是零下100攝氏度，在過去二十年之前這個極限并沒有被突破。

科學家*近已經知道，一些超導體是由至少一個氧原子和其他元素組成的氧化物，且能按照前面的方法被拆解成單層。如果重新組裝并在二者之間插入其他晶體層會怎樣?氧化物的超導性取決于內層的分離，插入的附加層可能會將弱導電層甚至絕緣材料轉換成超導體。

這個主意還沒有被完全驗證，主要在于原子尺度的樂高材料技術還處在起步階段。實際上，要組裝復雜的多層結構是很困難的。到現在為止，超過五個不同的材料層就很難維持住了，通常只能用兩個或三個不同的樂高積木塊，主要是石墨烯結合二維氮化硼絕緣晶體和二硫化鉬和鎢二硒醚等半導體材料。因為堆疊有很多材料，它們通常被稱為“異質結構”。它們很小，通常只有10微米的寬度和長度，比一個人類頭發的橫斷面還要小。

用這種堆疊方式，科學家可以對新型電子屬性、光學屬性以及新的應用開展實驗。一個引人入勝的方面是，這些材料層越薄，就越有彈性且透明。這就為發展光纖傳輸設備帶來希望，比如屏幕可以折疊起來用，也可以展開來用等。計算機芯片使用電源更加高效也成為可能。

如果研究人員在這些結構有重大發現，可以堅信這項技術可以擴到到工業化生產。現在石墨烯和其他二維晶體材料已經量產了，現在這種微晶體薄層材料可以被制成幾百平方米了。

雖然還沒有“殺手锏”級別的突破，但是這一領域的進展引起了科學界的強烈討論和濃厚興趣。人類的進步幾乎都是跟隨著新材料發現的腳步。從石頭到銅到鐵到硅時代，這樣的探索每次都起到了至關重要的作用。納米尺度的樂高正扮演著****的角色，現在看來，仍有無窮無盡的可能。

用聲波進行無線充電

——通過空氣發射電流的有效方法

2011年，還在賓夕法尼亞大學讀古生物學的學生梅雷迪斯˙佩里正在為筆記本充電，突然想到，繁瑣的電源線有**可能會過時。她開始尋找讓這個想法變成現實的路徑。佩里知道，基于磁共振和感應器的無線變電器已經存在，但它們的應用范圍很有限，瓶頸是“平方反比定律”，就是電磁輻射的強度與距離輻射源的距離成反比。

然而，機械震蕩不會面臨這個難題。利用空氣的振動使用壓電傳感器，將機械能轉換成電能，似乎是個更好的主意。聲音無非就是振動空氣粒子，它在理論上應該能夠傳遞能量。超聲更是一種**、安靜的高能量，也將是**的選擇。

當佩里跟學校里的教授討論這個想法時，很多人告訴她這不太可能實現，因為不可能從超聲中提取足夠的能量來為電子設備充電，如果她執意如此會遭遇大量電子工程和聲學難題。

“但是我知道這個神話是正確的。”她說，“而且沒有人給我提供‘完全沒有可能’的證據。”所以佩里找到一家叫做“u射線”的公司，來開發這個技術。該公司的發射器作為揚聲器目前還處在原型研究階段。它創建一個熱點聚焦超聲的能量;同時將一個接收器附加到電子裝置上用來接收回聲并將其轉換成電力能源。她現在正努力讓**批產品在兩年內上市。

佩里說，一個通用的無線充電系統，將取消大量不兼容的電線和充電器，并允許移動設備來執行高能耗任務而無需消耗電池。做為工業品內部設計的重要組成部分，無線充電設計方案還可以帶來新的選擇，比如為飛機、汽車、航天器或任何其他交通工具減少重量，它們如今還是滿載各種沉重的電源線。

“總之，無線充電將讓我們從與物理世界的互動中解脫出來，我們將從徹底逃離拴在墻上的那些韁繩。”佩里說。

用低級廢熱充電的電池

——美國三分之一廢棄能源能用來發電

每年，從工廠中產生的10億瓦特潛在電能被揮霍掉了，這些電能足夠1000萬戶家庭使用。熱電效應就是通過溫度差異將熱量轉移到電力的一種方式，但只轉換了其中一部分。幾十年來，溫度差異達到了500攝氏度或者更高，以便獲取任何有用的大量能源，麻省理工學院的博士后楊遠(音譯)解釋說，這很不幸，因為環境保護組織估計，每年美國的100攝氏度以下熱能損失達到了三分之一。

楊和他的導師及斯坦福的幾個博士后已經開發出一個在50攝氏度獲取熱能的方法，訣竅是利用熱電效應的一個“表親”——熱電溫差效應(thermogalvaniceffect)。電池在不同溫度和電壓的某種轉換關系下，可以有效地充電。科學家們建立了一個系統裝置，首先利用廢熱提高蓄電池的溫度，由于熱電溫差效應，電池可以在較低的電壓下充電。然后讓電池冷卻，在較低的溫度時使得電池可以在較高的電壓下放電進入電網。這樣能量差可以有效地從廢熱中采集。

僅僅在過去兩年左右，電池電極就變得能有效轉換低溫差電能了，楊說，在成功商業化之前還有很多事需要做。但現在，大量的電池可以繞在工廠煙囪或發電設備周圍，用于轉換低級別多余熱能。“這個相當有吸引力，畢竟低級熱能到處都是。”楊說。

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