Европейская исследовательская группа из DESY и Гамбургского технологического университета представила трибоэлектрический наногенератор, производящий электричество путём проталкивания воды через нанопористый кремний. Разработка открывает путь к созданию автономных датчиков и девайсов с низким потреблением энергии, способных работать без батарей.
Учёные исследовали возможность превращения механического давления и движения жидкости в стабильный источник электроэнергии с использованием простых компонентов – кремния и воды. Результатом стал трибоэлектрический генератор на основе наноструктурированного кремния, где поток воды через поры размером в нанометры создаёт электрический заряд.
Ядро девайса – кремниевая структура, совмещающая три ключевых свойства: электропроводность, нанопористую архитектуру и гидрофобную поверхность. Создание проводящего кремния – стандартная процедура в микроэлектронике, но объединение этого свойства с контролируемой нанопористой структурой и водоотталкивающими поверхностями в едином материале стало значимым прорывом. Такая комбинация позволяет контролировать процесс проникновения, движения и выхода воды из сети пор, что стабилизирует трибоэлектрический эффект и делает технологию масштабируемой.
Механизм преобразования энергии основан на трибоэлектрификации – том же семействе эффектов, что позволяет человеку накапливать заряд при ходьбе по ковру и затем разряжать его искрой при контакте с другим объектом. Однако здесь движущейся фазой выступает жидкость, а не подошва обуви. Когда вода под давлением проталкивается через микроскопические поры, она трётся о твёрдые кремниевые поверхности, передавая заряд на границе раздела жидкость-твёрдое тело. Архитектура девайса спроектирована так, чтобы захватывать этот межфазный заряд и преобразовывать его в полезную электроэнергию.
Исследовательская группа сообщает об эффективности конверсии около 9% – самом высоком показателе среди подобных трибоэлектрических систем. На практике это означает, что значительная доля механической энергии, используемой для движения воды через поры, преобразуется в электроэнергию на выходных контактах девайса. Для трибоэлектрических систем, часто страдающих от низкой или нестабильной эффективности, достижение этого показателя приближает концепцию к реальным энергетическим потребностям датчиков и малопотребляющей электроники.
Команда позиционирует технологию как путь к созданию автономных сенсорных систем, получающих энергию непосредственно из окружающей среды. Потенциальные применения включают обнаружение воды, мониторинг спорта и здоровья в умной одежде, тактильную робототехнику, где прикосновение или движение генерирует электрический сигнал для считывания данных. В таких сценариях генератор можно интегрировать в поверхности или структуры, уже подверженные движению или давлению, что устраняет необходимость в батареях или проводном питании.
В качестве примера учёные приводят системы подвески автомобилей. Внутри колёсной арки удары и вибрации уже создают механическое движение и изменения давления. Встраивание кремниево-водного трибоэлектрического модуля в такую среду позволит циклическому сжатию и расширению проталкивать воду через нанопористую сеть, превращая механический "шум" в энергию для локальных датчиков, контролирующих производительность, износ или условия безопасности.
Примечательно, что разработка опирается на доступные, хорошо изученные материалы – кремний, самый распространённый полупроводник в электронной промышленности, и воду. Этот выбор имеет значение для производства и себестоимости.
Однако, от эксперимента до применения на практике еще далеко.
