Ученые из Германии разработали принципиально новый способ генерации электричества, используя лишь воду и давление, которые воздействуют внутри мельчайших пор кремния — второго по распространенности элемента на Земле. Исследователи из Технического университета Гамбурга и их коллеги из немецкого центра синхротронного излучения DESY обнаружили, что механическая энергия может быть преобразована в электрическую с помощью трибоэлектрического эффекта. Новый процесс основан на использовании воды, заключенной в наноразмерных порах кремния, которая служит активной средой для производства энергии.
Как пояснили ученые, эта технология может найти применение в условиях высокого механического давления, например, в амортизаторах транспортных средств. Для исследования международная команда разработала систему, известную как трибоэлектрический наногенератор на основе интрузии-экструзии. Она использует давление, чтобы многократно заставлять воду входить в нанопоры и выходить из них. В ходе этого процесса на границе раздела между стенками кремниевых пор и жидкостью происходит разделение электрических зарядов, что создает ток, аналогичный статическому электричеству в быту.
Новый процесс воспроизводит этот эффект, но использует его контролируемым, эффективным и непрерывным способом для генерации электричества. Прототип продемонстрировал впечатляющую эффективность преобразования энергии в девять процентов, что является одним из самых высоких показателей для наногенераторов на основе взаимодействия твердого тела и жидкости. Сила прототипа, по словам исследователей, заключается в его простоте, поскольку устройство использует только кремний и воду, без каких-либо редких или опасных материалов. Ключевым фактором успеха стала разработка точно контролируемых кремниевых структур, которые одновременно являются электропроводящими, нанопористыми и гидрофобными. Эта технология обеспечивает точный контроль движения воды внутри пор и гарантирует стабильный и масштабируемый процесс преобразования энергии.
Ученые полагают, что их разработка открывает новые возможности для создания автономных, не требующих обслуживания сенсорных систем, таких как датчики для обнаружения воды, мониторинга в спорте и здравоохранении с помощью умной одежды или в тактильной робототехнике, где прикосновение или движение непосредственно генерирует электрический сигнал.
Исследование было опубликовано в научном журнале Nano Energy.
