設計されたシリコン・ナノポアが水の動きから発電を実現

ドイツ電子シンクロトロン（DESY）とハンブルク工科大学（TUHH）の研究者らは、CIC energiGUNEおよびフェラーラ大学の共同研究者とともに、水がナノ細孔に出入りする機械的作用を利用可能な電気エネルギーに変換する、摩擦帯電型ナノ発電機を実証した。

デバイスの仕組み

「侵入・排出型摩擦帯電ナノ発電機（IE-TENG）」と称されるこのデバイスは、固液界面における電荷移動を利用している。導電性シリコンモノリス内の疎水性ナノ細孔に圧力をかけて水を押し込み、その後排出させると、界面での摩擦相互作用によって正味の電子移動が生じ、電力が出力される。研究チームは、この基本的な効果を、絨毯の上を歩いた後に金属のドアノブに触れて小さな衝撃を受けるような、身近な静電気の発生になぞらえている。

設計と性能

研究チームは、細孔内部の水の動きを制御し、エネルギー変換プロセスを安定させるため、導電性、精密に設計されたナノ細孔構造、および疎水性の表面特性を兼ね備えたシリコンモノリスを開発した。この固液構成において報告されたエネルギー変換効率は約9%であり、著者らによれば、同様のナノ発電機について報告されている中で最高水準の値の一つであるという。

材料と再現性

研究者らは、この手法が希少な成分や特殊な成分ではなく、豊富に存在する材料であるシリコンと水を使用していることを強調しており、これが再現性を向上させ、潜在的な拡張性を支えるとしている。導電性、ナノ細孔性、疎水性を同時に備えた材料設計を実現することが極めて重要な課題として特定され、チームは製造プロセスにおいてこれに対処した。

潜在的な用途

• 水検知システム
• ウェアラブル生体情報センサおよびスマート衣料
• 運動パフォーマンスモニター
• 触覚ロボティクスおよび接触駆動型センサ

このデバイスは液体の機械的運動を直接電気信号に変換するため、従来の電源が実用的ではない環境において、自立発電型センサを可能にする可能性がある。

掲載論文

貢献者