科技 | 水流過就有電，科學家研發新型納米發電機

歐洲一個由德國電子同步加速器研究所（DESY）與漢堡工業大學科學家組成的研究團隊，近日公布了一種新研發的摩擦納米發電機。該裝置通過將水推入和抽出納米多孔硅結構來發電，標志著向實現無需電池即可為傳感器及其他低功耗設備供電邁出了重要一步。

據IT之家了解，研究人員最初的目標是探索一種可能性：是否可以僅使用硅和水這兩種簡單材料，通過巧妙設計，使機械壓力與流體運動轉化為可靠的電能來源，而非被白白浪費的能量。他們的成果是一種基于納米結構硅的摩擦電發電機：利用水流經納米尺度孔道時產生的電荷效應來發電。

該裝置的核心是一塊經過特殊工程設計的硅結構，同時具備三大關鍵特性：導電性、富含納米級孔隙，以及疏水性。在微電子領域，使硅具備導電性已是常規工藝；但將這一特性與可控的納米多孔結構及拒水表面集成于同一材料之中，卻是一項關鍵突破。

這種多重功能的結合，使研究團隊能夠精確調控水如何進入、穿過并離開孔隙網絡，從而穩定摩擦電效應，并使其具備可擴展性，而不再只是實驗室中一種脆弱的奇觀。

其能量轉換機制屬于摩擦起電效應，與人在地毯上行走后接觸金屬物體產生靜電火花的現象同屬一類。不同之處在于，此處發生相對運動的是液體而非固體鞋底。當水在壓力驅動下反復進出微小孔隙時，會與固態硅表面發生摩擦，在液–固界面處轉移電荷。該裝置的結構經過專門設計，可有效捕獲這種界面電荷并將其轉化為可用的電輸出，而非任其耗散。

該研究團隊提出的一個驚人論斷是，此類摩擦納米發電機的能量轉換效率達到約 9%，為目前同類系統中報道的最高水平。這意味著，用于驅動水流進出孔隙的機械能中，有相當大一部分可轉化為裝置端口輸出的電能。

對于通常面臨效率低下或不穩定的摩擦電系統而言，突破這一效率門檻意義重大，因為它使該技術更接近實際應用中對傳感器及低功耗電子設備的供電需求。

研究人員將這項技術定位為實現自主、免維護傳感系統的一條可行路徑：系統可直接從所處環境中獲取能量。他們指出，其潛在應用場景包括漏水檢測、智能織物中的運動與健康監測，以及觸覺機器人等領域，在這些場景中，觸摸或運動本身即可產生所需的傳感電信號。

在此類應用中，該發電機可集成于已承受運動或壓力的表面或結構中，有望徹底擺脫對電池或有線電源的依賴，顯著降低維護成本。

研究團隊以汽車懸架系統為例加以說明：在輪拱內部，震動與沖擊本就持續產生機械運動和壓力變化。若在此環境中嵌入一塊硅–水摩擦電模塊，周期性的壓縮與回彈便可驅動水流經納米多孔網絡，將原本被浪費的機械“噪聲”轉化為本地傳感器所需的電力，用于監測性能、磨損或安全狀態。

值得注意的是，該研究完全依賴于豐富且已被充分理解的材料，而非稀有或復雜的化合物。裝置僅使用硅，這是電子工業中最廣泛采用的半導體材料，以及水，這是地球上最常見的液體。

這項由漢堡團隊主導的研究，屬于當前全球范圍內從日常運動與環境流體中收集微小能量的廣泛探索之一。例如，在法國，已有學生開發出利用乘客通行地鐵閘機所產生的動能，為車站顯示屏供電的系統。另有一支國際團隊則展示了利用微風掠過水滴時產生的流體動力學效應來獲取能量的方法。這些并行進展共同指向一個方向：將日常的機械運動與流體流動視為一種可利用的能源，而非無用的背景“噪聲”。

來源：IT之家

▼ 往期熱文推薦 ▼

【溫馨提示】文中部分圖片來源網絡，版權歸屬原作者，若有不妥，請聯系告知修改或刪除。