工程化硅纳米孔通过水流运动产生电力

科学
Engineered Silicon Nanopores Generate Electricity from Water Movement
研究人员报告了一种摩擦纳米发电机,该装置通过将水压入和压出硅基疏水纳米孔来收集电能。该技术实现了约9%的能量转化率,并展现了开发可扩展、可重复生产设备的潜力。

德国电子加速器(DESY)和汉堡工业大学(TUHH)的研究人员与 CIC energiGUNE 以及费拉拉大学(University of Ferrara)的合作者共同展示了一种摩擦纳米发电机,该设备能将水进入和退出纳米孔的机械能转化为可用的电能。

设备工作原理

该设备被称为“挤入-挤出式摩擦纳米发电机”(IE-TENG),利用了固液界面的电荷转移。当水在压力下被压入导电硅单晶块中的疏水纳米孔并随后排出时,界面处的摩擦相互作用会产生净电子转移和电输出。研究人员将这种基本效应比作常见的静电产生过程,例如在地毯上行走并在触摸金属门把手时感到轻微电击。

设计与性能

该团队研发的硅单晶块结合了导电性、明确的纳米孔结构以及疏水表面特性,以控制孔隙内的水运动并稳定能量转换过程。据报告,这种固液配置的能量转换效率约为 9%,作者表示这是同类纳米发电机中所报道的最高值之一。

材料与可重复性

研究人员强调,该方法使用的是储量丰富的材料——硅和水——而非稀有或非常规组件,他们认为这提高了可重复性并支持潜在的可扩展性。在制造过程中,实现一种同时具有导电性、纳米多孔性和疏水性的材料设计被确定为一个关键挑战,团队已在制造过程中解决了这一问题。

潜在应用

  • 水检测系统
  • 可穿戴生物识别传感器和智能服装
  • 运动性能监测器
  • 触觉机器人和触摸驱动传感器

由于该设备能将液体的机械运动直接转化为电信号,它可能使自供电传感器在传统电源不切实际的环境中成为可能。

发表刊物

贡献者

James Lawson

James Lawson

Investigative science and tech reporter focusing on AI, space industry and quantum breakthroughs

University College London (UCL) • United Kingdom

Readers

Readers Questions Answered

Q 该设备是什么?它是如何发电的?
A 该设备被称为“入侵-挤出摩擦纳米发电机”(IE-TENG),它将水在压力下被迫进入导电硅单晶疏水纳米孔隙的机械动作转化为电能。电荷转移发生在水进出孔隙时的固液界面上,摩擦相互作用产生净电子转移和可观测的电输出。
Q 报告的效率是多少?其意义如何?
A 对于这种固液配置,报告的能量转换效率约为 9%,在类似纳米发电机的报告值中处于最高水平。研究人员通过设计具有导电性、明确纳米孔结构和疏水表面的硅单晶,从而控制孔内的水运动并稳定能量转换过程,实现了这一目标。
Q 强调了哪些材料和可重复性方面?
A 该方法依赖于丰富的材料——硅和水——而不是稀有或奇特的组件,研究人员强调这一点是为了突出可重复性和潜在的可扩展性。实现一种结合了导电性、纳米孔结构和疏水性的材料设计被认为是团队在工艺中解决的关键制造挑战。
Q 研究中描述了哪些潜在应用?
A 潜在应用包括水探测系统、可穿戴生物识别传感器和智能服装、运动表现监测器,以及触觉机器人和触摸驱动传感器。由于该设备将液体的机械运动直接转换为电信号,它可能在传统电源不切实际的环境中实现自供电传感器。

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