中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所舉辦重大科學(xué)成果發(fā)布會，拓展型麥克斯韋方程組、接觸電致催化兩大重磅原創(chuàng)科學(xué)成果發(fā)布！
撰文/記者 李慧 新媒體編輯/呂冰心

1月13日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所（以下簡稱“中科院納米能源所”）在京舉辦重大科學(xué)成果發(fā)布會。會上，拓展型麥克斯韋方程組、接觸電致催化兩大重磅原創(chuàng)科學(xué)成果發(fā)布！

中科院納米能源所所長、首席科學(xué)家、中科院外籍院士王中林，就兩大成果的發(fā)現(xiàn)、推演及研究過程，在會上作了分享。

中國科學(xué)院大學(xué)黨委常務(wù)副書記董軍社，北京市科委中關(guān)村管委會二級巡視員劉航，懷柔區(qū)人民政府副區(qū)長季學(xué)偉，北京中醫(yī)院大學(xué)校長徐安龍，中國科學(xué)報社社長趙彥，中關(guān)村發(fā)展集團(tuán)黨委副書記周光武、懷柔區(qū)政協(xié)副主席楊昊天等領(lǐng)導(dǎo)與嘉賓出席發(fā)布會。

董軍社在會上致辭，強調(diào)兩項重大原創(chuàng)成果的產(chǎn)生，既是納米能源所的大事，也是中國科學(xué)院大學(xué)的喜事，更是中國科學(xué)院和北京市科技共建的又一重要成果。

劉航表示，納米能源所發(fā)布原創(chuàng)成果讓人感到振奮，王中林院士拓展的麥克斯韋方程組成功豐富了方程組的運用范圍，奠定了運動介質(zhì)電動力學(xué)的基礎(chǔ)理論；王中林院士團(tuán)隊在國際上率先提出接觸電致催化，可以大大降低催化劑的選擇和合成門檻，這兩項新成果都是0-1的重要創(chuàng)新和突破。

季學(xué)偉代表懷柔區(qū)委區(qū)政府致辭，希望納米能源所緊緊抓住懷柔國家實驗室和懷柔綜合性國家科學(xué)中心建設(shè)的重大機遇，聚焦關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，解決更多卡脖子難題，同時積極促進(jìn)基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展融通對接，加速推動科研成果轉(zhuǎn)化落地，努力將科學(xué)城建設(shè)過程轉(zhuǎn)化為科技創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化的過程，努力為首都“四個中心”功能建設(shè)構(gòu)建力量。

01

拓展型麥克斯韋方程組：

奠定運動介質(zhì)電動力學(xué)的理論基礎(chǔ)

王中林院士經(jīng)過數(shù)年研究和實驗驗證，對麥克斯韋方程組進(jìn)行了成功拓展，相關(guān)成果發(fā)表在近期的國際學(xué)術(shù)期刊Materials Today。該成果的重大意義在于將麥克斯韋方程組基于靜態(tài)電磁場理論推廣到運動介質(zhì)的情形，成功拓展了麥克斯韋方程組的運用范圍，奠定了運動介質(zhì)電動力學(xué)的理論基礎(chǔ)。這是中國科研機構(gòu)對經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)理論創(chuàng)新做出的一次重要貢獻(xiàn)。

學(xué)過物理的人都知道，麥克斯韋方程組將電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)統(tǒng)一起來，揭示了三種現(xiàn)象本質(zhì)的統(tǒng)一性，并預(yù)言光也是一種電磁波，其在電磁學(xué)與經(jīng)典電動力學(xué)中的地位，如同牛頓運動定律在牛頓力學(xué)中的地位。

以麥克斯韋方程組為核心的電磁理論，為無線通信、廣播、航空航天、雷達(dá)、遙感、計算機和移動電話等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供了堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。

▲麥克斯韋方程組微分形式

▲麥克斯韋方程組積分形式

然而，麥克斯韋方程組存在一個長期被忽視的局限性。該方程組的成立是有條件的，從數(shù)學(xué)角度看，由積分形式方程組推導(dǎo)出微分形式方程組的基本假設(shè)是方程（2c-2d）中的時間微分和曲面積分可以互換：

事實上，方程（3）的成立是假設(shè)體系中介質(zhì)的形狀、分布、體積和表面都不隨時間變化，即處于靜止?fàn)顟B(tài)。然而，這種靜態(tài)介質(zhì)的假設(shè)在電動力學(xué)教課書中一般沒有注明，因此我們不會關(guān)注微分形式麥克斯韋方程組的具體成立條件。相反，在很多領(lǐng)域我們直接用積分形式方程組建立各種理論模型。

如果介質(zhì)是運動的，它的分布隨時間變化而變化，例如高速運動的飛機，運行的火車等，此時方程（3）不能嚴(yán)格成立。王中林院士首先意識到這個問題，為了推導(dǎo)出在有運動介質(zhì)情況下的麥克斯韋方程組，他建立了拓展型的麥克斯韋方程組：

王中林拓展麥克斯韋方程組的最初動機是為了發(fā)展和完善納米發(fā)電機的理論構(gòu)架。納米發(fā)電機是以位移電流為驅(qū)動力，將機械能有效地轉(zhuǎn)換為電能/電信號的一個前沿研究領(lǐng)域，在微納能源、自驅(qū)動傳感、藍(lán)色能源和高壓電源領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。2006年，王中林及其團(tuán)隊發(fā)明了第一臺壓電納米發(fā)電機（PENG），2012年發(fā)明了第一臺摩擦納米發(fā)電機（TENG）。2017年，他又首次拓展了位移電流的表達(dá)式，在電位移矢量D'中引入Ps項，用來推導(dǎo)納米發(fā)電機的輸出功率，拓展了它們在能源領(lǐng)域的應(yīng)用。

▲適用于靜態(tài)介質(zhì)的麥克斯韋方程組、適用于運動介質(zhì)的拓展型麥克斯韋方程組的比較

2019年，王中林推導(dǎo)出了納米發(fā)電機的輸運方程，Ps項的解析表達(dá)式，以及不同負(fù)載下納米發(fā)電機的輸出功率和空間電磁場分布及其輻射的通用表達(dá)式。同時給出摩擦納米發(fā)電機四種模式的解析，奠定了納米發(fā)電機的整體理論構(gòu)架，形成本學(xué)科發(fā)展的基本理論基礎(chǔ)。

王中林建立的拓展型麥克斯韋方程組，成功地將電磁場理論推廣到運動的介質(zhì)情形，解決了經(jīng)典電磁學(xué)使用范圍的問題，奠定了運動介質(zhì)電動力學(xué)的理論基礎(chǔ)，對基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵前沿技術(shù)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

如果將該方程組應(yīng)用于高速運動目標(biāo)的探測方面，比如運動中的高鐵、高速飛行的飛機、甚至星球運行，可以解決電磁波的產(chǎn)生、發(fā)射、相互作用、散射電磁波探測和目標(biāo)特征精確提取等難題。更重要的是，由于拓展型麥克斯韋方程組中引入了速度項，不但可以研究最常見的多普勒效應(yīng)，同時也包括了電磁波的振幅和相位的變化，在雷達(dá)、天線、航空、航天等需要無線通訊的領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用前景。

接觸電致催化：

02

走向碳中和的全新催化機制

王中林團(tuán)隊提出了一種全新的催化機制——接觸電致催化，該成果利用材料間接觸起電（摩擦起電）引起的電子轉(zhuǎn)移，作為催化反應(yīng)的核心，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。接觸起電普遍存在于各類材料間，這意味著接觸電致催化可以大大降低催化劑的選擇和合成門檻，使現(xiàn)有的化學(xué)、能源等工業(yè)朝著更加低碳的方向發(fā)展。

催化反應(yīng)與人類活動息息相關(guān)，從古人利用酵素釀酒制醋，到工業(yè)革命初期人們用鉛室法制硫酸，再到如今的化工產(chǎn)品85%都離不開催化反應(yīng)。催化反應(yīng)對一個國家GDP的貢獻(xiàn)接近20%。

關(guān)于催化學(xué)科的研究，大致可按催化劑種類，將其分為三大類：第一類是金屬基催化劑，包括貴金屬、金屬氧化物，硫化物、金屬有機框架材料、半導(dǎo)體、壓電材料等；第二類是酶，即生物基催化劑；第三類是有機小分子。統(tǒng)計得出，基于以上三大類催化劑的研究已獲得了16次諾貝爾獎。

回顧催化劑的工作原理，其核心是通過生成活性中間體等方式降低反應(yīng)的活化能，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。那么是否存在除金屬基催化劑、酶、以及有機小分子之外的第四種的催化劑呢？

王中林團(tuán)隊將視線聚焦于“接觸起電”這一非常古老且廣泛存在的物理現(xiàn)象上。他們發(fā)現(xiàn)，接觸起電現(xiàn)象不僅可以發(fā)生在固體與固體界面之間，還能發(fā)生在固體與液體，液體與液體界面，甚至是固體與氣體、液體與氣體界面處，并發(fā)表了一系列重要原創(chuàng)成果表明接觸起電中存在電子轉(zhuǎn)移的貢獻(xiàn)，甚至在部分情形下電子轉(zhuǎn)移是接觸起電的主要機制。

既然電子轉(zhuǎn)移存在于接觸起電過程中，同時電子轉(zhuǎn)移又可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，那么利用接觸起電過程中的電子轉(zhuǎn)移來直接催化化學(xué)反應(yīng)就存在可能。因此，王中林院士、唐偉研究員利用超聲空化作用在顆粒表面引入的接觸起電過程，發(fā)現(xiàn)即使所用顆粒為高度化學(xué)惰性的FEP（全氟乙烯丙烯共聚物）也能實現(xiàn)甲基橙污水的降解，且反應(yīng)前后所用顆粒化學(xué)成分不變，這就初步表面了接觸電致催化的可能性。

不同于電催化或光催化需要催化劑具備一定的特性，如導(dǎo)電性或光敏特性，接觸電致催化是利用機械激勵下通過接觸起電效應(yīng)產(chǎn)生的電子催化反應(yīng)，只要材料能夠接觸起電就可能催化反應(yīng)的進(jìn)行，因此極大地拓寬了催化劑的遴選范圍，提供了更為豐富的催化體系設(shè)計可能。

另外，相比于紫外光照、電能輸入等方式?jīng)Q定的局部反應(yīng)效果，接觸電致催化的反應(yīng)范圍更加全域化，具有規(guī)模化應(yīng)用的前景。從對環(huán)境影響的角度出發(fā)，得益于接觸電致催化對催化劑的選擇幾乎無限制，可以選用大量環(huán)境友好的材料進(jìn)行催化，并且這些催化劑與底物能夠通過簡單的方式實現(xiàn)高效分離，避免了對環(huán)境的二次污染。更為重要的是，這些催化劑能夠反復(fù)回收重復(fù)使用，進(jìn)一步減少了制備過程中對環(huán)境的污染。

由于接觸起電效應(yīng)廣泛存在于各類材料間，接觸電致催化將引領(lǐng)一系列前沿催化研究，為碳中和、新能源、水資源、醫(yī)藥化工等一系列國家戰(zhàn)略和國計民生問題的解決提供新原理和新思路。