科技 | 水流過就有電，科學(xué)家研發(fā)新型納米發(fā)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(yè)大學(xué)科學(xué)家組成的研究團隊，近日公布了一種新研發(fā)的摩擦納米發(fā)電機。該裝置通過將水推入和抽出納米多孔硅結(jié)構(gòu)來發(fā)電，標(biāo)志著向?qū)崿F(xiàn)無需電池即可為傳感器及其他低功耗設(shè)備供電邁出了重要一步。

據(jù)IT之家了解，研究人員最初的目標(biāo)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(shè)計，使機械壓力與流體運動轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)硅的摩擦電發(fā)電機：利用水流經(jīng)納米尺度孔道時產(chǎn)生的電荷效應(yīng)來發(fā)電。

該裝置的核心是一塊經(jīng)過特殊工程設(shè)計的硅結(jié)構(gòu)，同時具備三大關(guān)鍵特性：導(dǎo)電性、富含納米級孔隙，以及疏水性。在微電子領(lǐng)域，使硅具備導(dǎo)電性已是常規(guī)工藝；但將這一特性與可控的納米多孔結(jié)構(gòu)及拒水表面集成于同一材料之中，卻是一項關(guān)鍵突破。

這種多重功能的結(jié)合，使研究團隊能夠精確調(diào)控水如何進入、穿過并離開孔隙網(wǎng)絡(luò)，從而穩(wěn)定摩擦電效應(yīng)，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(zhuǎn)換機制屬于摩擦起電效應(yīng)，與人在地毯上行走后接觸金屬物體產(chǎn)生靜電火花的現(xiàn)象同屬一類。不同之處在于，此處發(fā)生相對運動的是液體而非固體鞋底。當(dāng)水在壓力驅(qū)動下反復(fù)進出微小孔隙時，會與固態(tài)硅表面發(fā)生摩擦，在液–固界面處轉(zhuǎn)移電荷。該裝置的結(jié)構(gòu)經(jīng)過專門設(shè)計，可有效捕獲這種界面電荷并將其轉(zhuǎn)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(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換效率達到約 9%，為目前同類系統(tǒng)中報道的最高水平。這意味著，用于驅(qū)動水流進出孔隙的機械能中，有相當(dāng)大一部分可轉(zhuǎn)化為裝置端口輸出的電能。

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

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

在此類應(yīng)用中，該發(fā)電機可集成于已承受運動或壓力的表面或結(jié)構(gòu)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(tǒng)為例加以說明：在輪拱內(nèi)部，震動與沖擊本就持續(xù)產(chǎn)生機械運動和壓力變化。若在此環(huán)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(qū)動水流經(jīng)納米多孔網(wǎng)絡(luò)，將原本被浪費的機械“噪聲”轉(zhuǎn)化為本地傳感器所需的電力，用于監(jiān)測性能、磨損或安全狀態(tài)。

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(fù)雜的化合物。裝置僅使用硅，這是電子工業(yè)中最廣泛采用的半導(dǎo)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(dǎo)的研究，屬于當(dāng)前全球范圍內(nèi)從日常運動與環(huán)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(xué)生開發(fā)出利用乘客通行地鐵閘機所產(chǎn)生的動能，為車站顯示屏供電的系統(tǒng)。另有一支國際團隊則展示了利用微風(fēng)掠過水滴時產(chǎn)生的流體動力學(xué)效應(yīng)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

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