Пояснення водяних трибоелектричних наногенераторів

Зумовлений потребою в більшій енергетичній безпеці, економії коштів та екологічними проблемами, попит на рішення у сфері сталого енергопостачання значно зростає.

Це спонукало дослідників розробити технології збору енергії, які перетворюють механічну енергію навколишнього середовища на електричну. Ці технології мають потенціал відігравати вирішальну роль у таких сферах застосування, як виробництво електроенергії, транспорт та електроніка.

Серед цих технологій трибоелектричні наногенератори (TENG) стали перспективним засобом використання механічної енергії з навколишнього середовища, такої як рух та вібрація.

В результаті багато дослідників досліджують нові матеріали, конструкції та механізми для покращення вироблення енергії, довговічності та масштабованості для реального використання.

Раніше цього року дослідники з Університету Алабами продемонстрували використання цих пристроїв для вироблення електроенергії. Ключовим моментом було використання недорогої, купленої в магазині, міцної стрічки разом із пластиком та алюмінієм, а не дорогих, спеціально виготовлених матеріалів, які зазвичай використовуються для TENG.

Цей покращена версія TENG¹ використовує взаємодію між чутливим до тиску акриловим клейким шаром стрічки та її поліпропіленовою основою для генерації до 53 міліват потужності. TENG був розміщений на вібруючій пластині, яка багаторазово приводить два шари в контакт перед розділенням, тим самим генеруючи електроенергію.

Окрім створення достатньої потужності для освітлення понад 350 світлодіодних ліхтарів та лазерної указки, пристрій також був інтегрований в акустичний датчик та портативний пристрій.

В іншому дослідженні міжнародна команда дослідників виробляли електроенергію за допомогою крихітних пластикових намистин² розміщені близько один до одного на поверхні, а потім приведені в контакт з іншою поверхнею, що містить ті самі кульки, виробляючи більше електроенергії, ніж зазвичай.

Розмір та матеріал намистин виявилися важливими, і провідний автор дослідження, доктор Ігнаас Джимідар з ВУБ, зазначив: «Невеликі зміни у виборі матеріалу можуть призвести до значного покращення ефективності виробництва енергії», що створює нові можливості для TENG у повсякденному житті, без залежності від традиційних джерел енергії.

Ці висновки та досягнення показують, що дослідники прокладають шлях для трансформаційного застосування технології TENG.

За словами Чжун Лінь Вана, який першим продемонстрував працюючий TENG, трибоелектричні наногенератори можуть відігравати вирішальну роль у прагненні до демократизації енергетики.

«Використовуючи буденні фізичні дії, вони дозволяють електроніці працювати самостійно, усуваючи необхідність покладатися на централізовані енергетичні мережі. Це «поглинання енергії навколишнього середовища» тісно пов’язане з низкою глобальних тенденцій, таких як сталий розвиток, персоналізована охорона здоров’я та Інтернет речей», – сказав Ван. інтерв'ю.³ «TENG вже життєздатні для малопотужного розподіленого зондування, але їх справжня проривна мета — це майбутні масштабні збори енергії та синергія людини та машини».

Як трибоелектричні наногенератори (TENG) перетворюють рух в електрику

Оскільки дослідження трибоелектричних наногенераторів продовжують прискорюватися, останні досягнення розширили сферу того, що ці пристрої можуть збирати, від ледь помітних коливань та руху тіла до сил навколишнього середовища, таких як вітер, краплі та потік рідини.

Тепер, як же це зробити трибоелектричні наногенератори (TENG) працюють? Ну, вони перетворюють механічну енергію на електричну за допомогою контактної електризації та електростатичної індукції.

Контактна електрифікація включає передачу заряду, яка відбувається, коли дві поверхні стикаються, причому одна заряджається позитивно, а інша негативно. Електростатична індукція або електростатичний вплив, тим часом, є перерозподілом електричного заряду без прямого контакту.

Чудовою перевагою TENG є їхня висока миттєва щільність потужності, широка сумісність матеріалів та масштабованість. Завдяки застосуванню, що охоплює джерела живлення, блакитну енергію та датчики з автономним живленням, ці пристрої були успішно інтегровані в носиму електроніку, датчики з автономним живленням та великомасштабні енергетичні мережі.

Але, звичайно, все ще існують проблеми з точки зору інтеграції з існуючими енергосистемами, довгострокової стабільності та ефективності передачі та перетворення заряду.

Насправді існують різні стратегії TENG для ефективного збору, використання та перетворення невикористаної або втраченої енергії. Перспективною є твердофазний TENG, який, на відміну від традиційних твердофазних TENG, пропонує просту, економічно ефективну конструкцію, покращену ефективність переносу заряду, можливості самовідновлення, довговічність та адаптивність до динамічних середовищ.

Дослідження також показали, що модифікація матеріалів та/або рідин, таких як гідрофобні поверхні або іонні розчини, може збільшити трибоелектричну потужність та відкрити нові шляхи для збору енергії у водних та біомедичних середовищах.

Раніше цього року команда дослідників продемонструвала використання рідко-твердого TENG для вловлюють «блакитну енергію» океанських хвиль⁴, зосередившись на подоланні проблеми низької енергетичної потужності. Вони досягли цього, оптимізувавши розташування електрода, що збирає енергію.

Використовуючи 16-дюймову прозору пластикову трубку, вони створили TENG з мідним фольгованим електродом на одному кінці. Потім трубку заповнили водою на чверть її довжини, а потім запаяли кінці дротом, що з'єднував електрод із зовнішнім колом. Потім пристрій розмістили на настільному качалці, яка переміщала воду всередині туди-сюди та генерувала електричні струми.

Ця оптимізована конструкція збільшила перетворення енергії в 2.4 рази та дозволила блимати масивом із 35 світлодіодів.

В іншому експерименті, проведеному кілька років тому, дослідники створили TENG, схожий на морські водорості⁵ щоб продемонструвати свій потенціал щодо зменшення залежності від батарей уздовж узбережжя.

Вони покрили смужки двох різних полімерів розміром 1.5 на 3 дюйми струмопровідним чорнилом, втиснули між ними невелику губку, щоб створити тонкий повітряний зазор, а потім герметизували весь блок, щоб створити TENG. Коли пристрій рухався вгору та вниз у воді, смужка згиналася вперед і назад, генеруючи електрику.

Повітряний зазор зменшився, коли TENG занурювали у воду за тиску, що спостерігається під водою в прибережних зонах, але він все ще генерував струм 100 кПа. Вони також використали хвильовий резервуар, щоб продемонструвати, що кілька TENG можна використовувати як міні-підводну електростанцію, що постачає енергію для 30 світлодіодів або мініатюрного миготливого світлодіодного маяка.

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Використання води, нанопористого кремнію та тиску для збору енергії TENG

Тепер європейська команда дослідників звернулася до конкретного застосування рідко-твердофазних TENG: інтрузійно-екструзійних трибоелектричних наногенераторів (IE-TENG).

У цій системі використовуються незмочувальні рідини, тобто вода та розчин поліетиленіміну, а також нанопористі кремнієві моноліти.

Використовуючи гідрофобну нанопористу архітектуру матеріалів, він може генерувати електроенергію шляхом контрольованого руху рідини в обмежені простори та з них, що викликає накопичення та перерозподіл заряду, що призводить до коливань струму та напруги, які можна використовувати для перетворення енергії.

Головною перевагою IE-TENG є те, що вони можуть подолати ключове обмеження традиційних TENG: обмежену площу контакту між матеріалами. Використання нанопористих матеріалів з площею поверхні від сотень до тисяч квадратних метрів на грам дозволяє IE-TENG значно підвищити питому щільність енергії за площею та загальну продуктивність цих пристроїв.

Тим часом, нанопористі кремнієві моноліти були використані, оскільки вони широко досліджувалися в медичній, оптичній, електронній та механічній галузях. Вони надали дослідникам деякі важливі переваги.

Це включає легований, тобто провідний, пористий кремній, який покращує перенесення та збирання заряду під час процесу інтрузії-екструзії, тим самим підвищуючи ефективність електричного виходу. Нанопористі кремнієві моноліти також можна перетворити на гідрофобні поверхні, які є важливими для генерації енергії на основі інтрузії-екструзії.

Дослідження показало, що моноліти пористого кремнію є перспективними кандидатами для IE-TENG наступного покоління, досягаючи збільшення миттєвої щільності потужності на три порядки та збільшення енергії на два порядки за цикл інтрузії-екструзії.

Вважається, що завдяки постійному вдосконаленню, IE-TENG, що використовують пористі провідні матеріали, можуть запропонувати життєздатну альтернативу для «високопродуктивних, самопідтримуваних систем збору енергії» в носимій електроніці та промислових застосуваннях для рекуперації енергії.

Новий спосіб перетворення механічної енергії в електрику, розроблений командою європейських вчених, використовує воду, що знаходиться в порах кремнію, як робочу рідину.

У дослідженні під назвою «Трибоелектрифікація під час інтрузії-екструзії незмочуваних рідин у гідрофобних нанопористих кремнієвих монолітах⁶«…вони продемонстрували здатність циклічного проникнення та екструзії води у водостійкі нанопористі кремнієві моноліти виробляти кількісно вимірювану електричну енергію.

Нова система, IE-TENG, розроблена у співпраці Гамбурзького технологічного університету (TUHH) та DESY (німецький електронний синхротрон), Університету Феррари (Італія), CIC energiGUNE (Іспанія), Рижського технічного університету (Латвія) та Сілезького університету в Катовіце (Польща). Вона використовує тиск для багаторазового проштовхування води в пори нанометрового розміру та виштовхування її з них.

Під час цього процесу на межі розділу між твердим тілом і рідиною утворюється заряд. Цікаво, що це тип електрики тертя, який ми часто спостерігаємо у повсякденному житті, наприклад, коли ми ходимо по водостійкому килиму з ПВХ у взутті.

Це досить поширений приклад статичної електрики, що генерується трибоелектричним ефектом. Іншим прикладом є дотик до дверної ручки та отримання невеликого удару електричним струмом. Відбувається таке, що накопичення електричного заряду на вашому тілі швидко розряджається через провідник, такий як металева ручка.

У випадку нещодавно розробленої системи, вона досягла ефективності перетворення енергії до 9%.

«Навіть чиста вода, коли вона обмежена нанорозмірами, може забезпечити перетворення енергії», — сказав професор Патрік Хубер, речник BlueMat: кластера передового досвіду в галузі матеріалів, що працюють на воді, в TUHH та DESY, метою якого є розробка нового класу природних, стійких матеріалів, які змінюють свої властивості під час взаємодії з водою.

Лише кілька місяців тому Кластер отримав до 70 мільйонів євро на фінансування досліджень, забезпечивши підтримку до 2033 року.

Їхній підхід до збору трибоелектричної енергії шляхом використання монолітного нанопористого каркасу пропонує альтернативний шлях для посилення контактної електрифікації на обмежених поверхнях розділу тверда-рідка фаза.

У своїй роботі дослідники генерували електрику в порах кремнію виключно за рахунок тертя, спричиненого тиском і водою.

«Поєднання нанопористого кремнію з водою дозволяє створити ефективне, відтворюване джерело енергії — без екзотичних матеріалів, а лише використовуючи найпоширеніший напівпровідник на землі, кремній, та найпоширенішу рідину, воду».

– Доктор Луїс Бартоломе, CIC energiGUNE

Дизайн матеріалу тут був ключовим, оскільки їм потрібен був щось, що дозволяє передавати електрику, має пори нанометрового розміру та відштовхується від води.

«Вирішальним кроком стала розробка точно спроектованих кремнієвих структур, які одночасно є провідними, нанопористими та гідрофобними», оскільки така архітектура дозволила їм контролювати рух води всередині пор, роблячи процес перетворення енергії стабільним, а також масштабованим, пояснив доктор Мануель Брінкер з Гамбурзького технологічного університету.

Використання дослідниками монолітних кремнієвих структур замість порошкових IE-TENG, що базуються на пухких пористих частинках, дозволило ефективніше та відтворюваніше збирати енергію. Вони також досягли значного покращення миттєвої щільності потужності, тобто потужності, що передається в певний момент середовищу перехідним струмом, та енергії за цикл.

Команда також визначила розмір пор та загальний об'єм пор як два основні фактори, що визначають трибоелектричні характеристики, підкреслюючи важливість оптимізації цих структурних властивостей.

Крім того, їхній аналіз показав, що вищі коефіцієнти стиснення покращують вироблення електроенергії, тоді як вибір рідкого середовища значно покращує трибоелектричну ефективність. Зокрема, використання 0.1% розчину поліетиленіміну (PEI) дозволило команді досягти найвищої зареєстрованої ефективності перетворення енергії (9%) для твердофазних TENG.

Завдяки цим висновкам команда прагне забезпечити міцну основу для подальшої оптимізації збору трибоелектричної енергії твердофазними системами. На думку дослідників, майбутні дослідження повинні бути зосереджені на виборі рідини, адаптації архітектури пор та модифікації поверхні кремнієвих монолітів.

Тим часом ця технологія прокладає шлях для застосування в автономних сенсорних системах, носимій електроніці та зборі енергії з навколишнього середовища.

За словами вчених, це відкриває шлях для «автономних сенсорних систем, що не потребують обслуговування».

Отже, цю технологію можна застосовувати для виявлення води та моніторингу здоров'я в розумному одязі. Її також можна використовувати в тактильній робототехніці, де рух безпосередньо генерує електричний сигнал. Крім того, технологія добре підходить для застосувань, що потребують високого механічного тиску, таких як амортизатори автомобілів.

«Матеріали на водній основі знаменують собою початок нового покоління самопідтримуваних технологій», – заявили співавтори професор Сімоне Мелоні з Університету Феррари та доктор Ярослав Гросу з CIC energiGUNE.

Як ми нещодавно повідомляли, такий «природний» підхід до проектування був також застосований для розробки нового плаваючого диференціально налаштованого електрона (ДНВ) з інтегрованою водою (В-ДНВ), який використовує електричні та структурні властивості води. Використання «вільної води» як будівельного матеріалу дозволило В-ДНВ мати значно меншу вагу та вартість матеріалів, а також високий потенціал для застосування без використання суходолу, демонструючи при цьому видатну масштабованість та велику довговічність у різних робочих умовах.

Інвестування в напівпровідники, що збирають енергію: аргументи на користь TXN

Хоча ці специфічні кремнієві моноліти зараз перебувають на стадії дослідження, інвесторам, які прагнуть скористатися основною тенденцією низького енергоспоживання, слід звернути увагу на сформований ринок напівпровідників, де... Компанія Texas Instruments Incorporated (TXN ) є ключовим гравцем, що постачає малопотужні мікроконтролери, мікросхеми керування живленням та аналогові/змішані сигнальні рішення.

Глобальна напівпровідникова компанія проектує та виробляє аналогові та вбудовані процесорні мікросхеми для автомобільної галузі, корпоративних систем, персональної електроніки, комунікаційного обладнання та промислового застосування.

Його портфоліо розроблено для управління потребами в живлення на різних рівнях напруги, включаючи силові ключі, імпульсні регулятори змінного/постійного струму та ізольовані імпульсні регулятори постійного/постійного струму, імпульсні регулятори постійного/постійного струму, джерела опорної напруги, рішення для керування акумуляторами та інші.

Компанія Texas Instruments може похвалитися стабільним фінансовим становищем. За третій квартал 2025 року компанія повідомила про дохід у розмірі 4.74 мільярда доларів, що на 7% більше, ніж у попередньому кварталі, та на 14% більше, ніж у попередньому році, зі зростанням на всіх кінцевих ринках. Дохід від аналогової продукції зріс на 16% у річному обчисленні, від вбудованої обробки даних – на 9%, а від сегмента «інші» – на 11%.

Що стосується прибутковості, TI отримала 1.36 мільярда доларів чистого прибутку та 1.48 долара розводненого прибутку на акцію за квартал. За останні 12 місяців грошовий потік від операційної діяльності склав 6.9 мільярда доларів, а вільний грошовий потік – 2.4 мільярда доларів, що підкреслює здатність компанії фінансувати значні капітальні витрати та прибутки для акціонерів, одночасно інвестуючи в дослідження та розробки.

«Наш грошовий потік від операційної діяльності у розмірі 6.9 мільярда доларів за останні 12 місяців знову підкреслив силу нашої бізнес-моделі, якість нашого портфеля продуктів та перевагу виробництва 300 мм».

– Генеральний директор Хавів Ілан

Протягом третього кварталу 2025 року TI виплатила близько 1.2 мільярда доларів дивідендів та викупила приблизно 119 мільйонів доларів власних акцій, що сприяло поверненню акціонерам 6.6 мільярда доларів за останні 12 місяців. У вересні компанія оголосила про збільшення дивідендів на 4% до 1.42 долара на акцію, що стало 22 роком поспіль зростання дивідендів.

Станом на кінець листопада 2025 року акції TXN торгуються приблизно посередині $160, що приблизно на 25–30% нижче за 52-тижневий максимум у $221.69, досягнутий у липні 2025 року. Хоча акції відійшли від цих максимумів і показали негативну прибутковість протягом минулого року, поєднання зростання продажів аналогових компаній, дивідендної дохідності понад 3% та довгострокових викупів акцій продовжує приваблювати інвесторів, орієнтованих на дохід.

Останні новини акцій Texas Instruments Incorporated (TXN)

Висновок: Яке місце TENG займають у майбутньому чистої енергетики

У світі збору енергії, TENG пропонують недорогий, ефективний та сталий спосіб перетворення механічної енергії на електрику. Перетворюючи не лише повсякденні механічні взаємодії, а й потік рідини та коливання тиску на корисну електрику, ці технології обіцяють гнучкі носимі пристрої, датчики з автономним живленням, енергетичні системи для морського середовища тощо.

Хоча реальне впровадження TENG наразі обмежене, завдяки постійним дослідженням, спрямованим на вдосконалення архітектури матеріалів, підвищення ефективності та інтеграції TENG з існуючими енергетичними системами, ці пристрої можуть нарешті стати життєздатними для ширшого комерційного розгортання.

Натисніть тут, щоб переглянути список компаній, які лідирують у розвитку нанотехнологій.

Посилання

1. Чан, М.-Х.; Реббітт, С.П.; Френді, А.; Коннерс, Р.Т.; Лей, Ю.; Ван, Г. «Широкосмугове високопотужне трибоелектричне збирання енергії за допомогою скотчу». ACS Omega 10, немає 3 (2025): 2778-2789. https://doi.org/10.1021/acsomega.4c08590
2. Джимідар, ISM, Малніекс, К., Соттевес, К., Шеррелл, П.К. та Шутка, А. «Гранулярні інтерфейси в TENG: роль щільно упакованих полімерних моношарів кульок для збирачів енергії». невеликий 21, № 9 (2025): Стаття 2410155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155
3. Ван, З.Л. «Майбутнє TENG з Чжун Лін Ваном». Комунікаційні матеріали 6 (2025): Стаття 125. https://doi.org/10.1038/s43246-025-00847-7
4. Чжан, Х.; Дай, Г.; Луо, Ю.; Чжен, Т. «Ефект об’єму простору в трубчастому рідинно-твердофазному трибоелектричному наногенераторі для підвищення вихідної продуктивності». Енергетичні листи ACS 9, немає 4 (2024): 1431-1439. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00072
5. Ван, Ю.; Лю, Х.; Ван, Ю.; Ван, Х.; Ван, Х.; Чжан, С.Л.; Чжао, Т.; Сюй, М.; Ван, З.-Л. «Гнучкий трибоелектричний наногенератор, подібний до морських водоростей, як збирач хвильової енергії, що живить морський Інтернет речей». ACS Nano 15, немає 10 (2021): 15700-15709. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05127
6. Бартоломе, Л.; Верзіаггі, Н.; Брінкер, М.; Амаюелас, Е.; Мерчорі, С.; Аркан, М.З.; Еглітіс, Р.; Шутка, А.; Chorążewski, MA; Губер, П.; Мелоні, С.; Гросу, Ю.; та інші «Трибоелектрифікація під час проникнення-екструзії незмочуваних рідин у гідрофобні нанопористі кремнієві моноліти». Nano Energy 146 (2025): Стаття 111488. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111488