水流经即可产生电能，科研人员成功研制出新型纳米发电机

12月1日消息，欧洲一支由德国电子同步加速器研究所（DESY）与汉堡工业大学科学家联合组成的研究团队，近日对外公布了一款新研发的摩擦纳米发电机。这款装置借助将水推入和抽出纳米多孔硅结构的方式来产生电能，这一成果标志着在实现无需电池即可为传感器及其他低功耗设备供电的目标上，迈出了关键的一步。

该装置的核心部件是一块经过特殊工程设计的硅结构，它同时拥有三大关键特性：导电性、含有丰富的纳米级孔隙，以及疏水性。在微电子领域，让硅具有导电性已是常规工艺；不过，把这一特性与可控的纳米多孔结构及拒水表面整合到同一种材料里，却是一项重要突破。

这种多重功能的融合，让研究团队得以精准控制水进入、穿过和离开孔隙网络的过程，进而稳定摩擦电效应，使其具有可扩展性，不再局限于实验室里一种脆弱的现象。

它的能量转换机制是摩擦起电效应，和人在地毯上走动后触碰金属物品时出现静电火花的现象是同一类。两者的区别在于，这里产生相对运动的是液体，而不是固体的鞋底。当水在压力的作用下反复流入流出微小孔隙时，会和固态硅的表面产生摩擦，电荷便在液–固界面处发生转移。这个装置的结构是经过专门设计的，能够有效捕捉这种界面电荷，并把它转化为可利用的电输出，而不是让这些电荷随意耗散掉。

该研究团队提出了一个令人惊讶的观点：这类摩擦纳米发电机的能量转换效率约为9%，是目前已报道的同类系统中的最高值。这表明，在驱动水流进出孔隙所消耗的机械能里，有很大一部分能够转化为装置端口输出的电能。

对于通常面临效率低下或不稳定的摩擦电系统而言，突破这一效率门槛意义重大，因为它使该技术更接近实际应用中对传感器及低功耗电子设备的供电需求。

研究人员把这项技术视为打造自主且无需维护的传感系统的可行途径，该系统能够直接从周围环境中获取能量。他们提到，该技术的潜在应用领域涵盖漏水检测、智能织物里的运动与健康监测，还有触觉机器人等，在这些场景中，触摸或运动本身就能生成所需的传感电信号。

在此类应用中，该发电机可集成于已承受运动或压力的表面或结构中，有望彻底摆脱对电池或有线电源的依赖，显著降低维护成本。

研究团队以汽车悬架系统为例进行阐述：轮拱内部原本就持续存在由震动与冲击引发的机械运动和压力变化。要是在这样的环境里嵌入一块硅–水摩擦电模块，那么周期性的压缩与回弹就能促使水流过纳米多孔网络，把原本被白白浪费的机械“噪声”转化为本地传感器需要的电力，进而用于监测性能、磨损情况或者安全状态。

值得关注的是，这项研究完全依托于充足且已被透彻认识的材料，而非稀少或复杂的化合物。该装置仅运用了硅——电子工业里应用最普遍的半导体材料，以及水——地球上最为常见的液体。

由汉堡团队牵头开展的这项研究，是当下全球众多从日常活动及环境流体里收集微弱能量的探索项目之一。比如在法国，有学生团队研发出借助乘客通过地铁闸机时产生的动能，为车站显示屏提供电力的系统；还有一个国际团队展示了利用微风拂过水滴时形成的流体动力学效应来捕获能量的技术。这些同步推进的成果都表明：日常的机械运动与流体流动并非毫无价值的背景“杂音”，而是一种可以被开发利用的能源。