Найден новый способ добычи энергии из вибраций: как пористый кремний превращает давление в ток

Энергия вокруг нас распылена в бесполезных, на первый взгляд, формах: вибрации мостов, удары капель дождя, давление в гидравлических системах. То есть дефицита энергии в окружающей среде нет, но есть проблема в том, чтобы её собрать. Здесь на сцену выходят трибоэлектрические наногенераторы (TENG).

Принцип их работы знаком каждому, кто хоть раз получал удар током, снимая шерстяной свитер. Трение или контакт двух разнородных материалов рождает заряд. Обычно инженеры используют твердые поверхности (пластик о металл), но у такой схемы есть фатальный недостаток: детали изнашиваются.

В свежей работе, опубликованной в журнале Nano Energy, физики и химики из Испании, Италии, Германии и Польши предложили решение: заменить твердый «поршень» на жидкость, а цилиндр — на пористый кремниевый монолит. Результат превзошел ожидания: плотность мощности выросла в тысячи раз по сравнению с предыдущими попытками.

Кризис твердотельного трения

Классический трибоэлектрический генератор работает по принципу, известному каждому со школьных уроков физики: контакт и последующее разделение двух материалов с разной способностью удерживать электроны порождает заряд. Инженеры научились эффективно упаковывать этот процесс в компактные устройства. Однако у схемы «твердое тело — твердое тело» есть неустранимые инженерные недочеты. Постоянное трение ведет к износу поверхностей, нагреву и деградации материалов, что сильно ограничивает срок службы таких генераторов.

Решением стала замена одного из твердых тел на жидкость. В системах класса «жидкость — твердое тело» отсутствуют проблемы механического стирания, а контактная поверхность способна восстанавливаться самостоятельно. Наиболее интересной реализацией этой концепции стали интрузивно-экструзивные генераторы (IE-TENG).

Принцип их работы строится на принудительном внедрении (интрузии) жидкости в микроскопические поры гидрофобного материала под давлением и ее последующем вытеснении (экструзии). Этот процесс позволяет задействовать огромную площадь поверхности внутри материала, превращая её в активную зону генерации заряда.

Архитектура кремниевого монолита

До сих пор большинство экспериментов в этой области проводилось с использованием гидрофобных порошков или гранул. Несмотря на теоретическую обоснованность, на практике порошковые системы демонстрировали низкую эффективность. Проблема заключалась в отсутствии целостности: электрический контакт между отдельными частицами порошка нестабилен, что приводит к высоким потерям при сборе генерируемого заряда.

Авторы нового исследования полностью изменили подход к материаловедению процесса. Вместо рыхлой массы частиц они использовали кремниевый монолит — единую структуру, полученную методом электрохимического травления кристаллического кремния.

Процесс создания материала выглядит следующим образом:

1. Формирование матрицы: в пластине легированного (проводящего) кремния вытравливаются миллиарды вертикальных каналов. В зависимости от режима травления, диаметр пор варьируется от 4 до 15 нанометров.
2. Функционализация поверхности: внутренние стенки пор покрываются тончайшим слоем оксида кремния, а затем на них прививаются молекулы фторорганических соединений. Это придает материалу абсолютные гидрофобные свойства — он начинает буквально отталкивать воду на молекулярном уровне.

Ключевое отличие монолита от порошка заключается в электропроводности самого каркаса. Легированный кремний выступает одновременно и генератором заряда, и токосъемным электродом. Это исключает необходимость во внешних токопроводах внутри активной зоны и снижает внутреннее сопротивление системы до минимума.

Динамика генерации: от давления к току

Работа генератора на базе кремниевого монолита представляет собой циклический термодинамический процесс. В исходном состоянии жидкость (вода или специальный раствор) окружает монолит, но не может проникнуть в поры из-за сил поверхностного натяжения и гидрофобности стенок. Система находится в равновесии.

Когда внешняя сила (например, вибрация механизма или гидравлический удар) создает давление, жидкость преодолевает энергетический барьер и заполняет нанопоры. Площадь контакта жидкости и твердого тела мгновенно увеличивается в миллионы раз. На границе раздела фаз происходит формирование двойного электрического слоя: ионы из жидкости взаимодействуют с поверхностью пор, вызывая перераспределение зарядов в проводящем кремниевом скелете.

Как только внешнее давление падает, система стремится вернуться в состояние с минимальной энергией. Гидрофобные силы выталкивают жидкость из пор (экструзия). Это механическое движение жидкости вызывает обратный ток электронов во внешней цепи, компенсирующий изменение электрического потенциала.

Экспериментальные данные показали ощутимую разницу между старым и новым подходами. Использование монолитной архитектуры привело к увеличению мгновенной плотности мощности в 1000 раз по сравнению с порошковыми аналогами. Выработка энергии за один цикл «сжатие-расширение» выросла в 100 раз.

Химическая оптимизация и роль дефектов

Исследователи не ограничились физической структурой и проанализировали влияние состава рабочей жидкости. Сравнительный анализ показал, что замена чистой воды на водный раствор полиэтиленимина (PEI) существенно меняет характеристики системы.

PEI — это полимер, насыщенный аминогруппами, которые обладают выраженными электронодонорными свойствами. Кроме того, раствор PEI обладает высокой диэлектрической проницаемостью (около 270 единиц против 80 у воды). Это позволяет системе накапливать и удерживать больший поверхностный заряд. В результате эффективность преобразования механической работы в электрическую энергию достигла 9%. Для технологий сбора рассеянной энергии, где борьба обычно идет за доли процента, это очень качественный результат.

Для объяснения физической природы процесса на атомном уровне было применено компьютерное моделирование, объединяющее методы молекулярной динамики и расчеты из первых принципов. Моделирование выявило неочевидный факт: идеальная гидрофобная поверхность работает хуже, чем поверхность с дефектами.

В местах, где привитые фторуглеродные цепочки нарушены или отсутствуют, образуются локальные зоны с измененным электронным распределением. Именно эти дефекты становятся центрами адсорбции ионов и переноса заряда. Молекулы PEI, в свою очередь, стабилизируют эти заряды, предотвращая их преждевременную рекомбинацию. Таким образом, несовершенство покрытия на наноуровне является необходимым условием для эффективной работы макроустройства.

Перспективы масштабирования

Представленная технология решает одну из главных проблем «зеленой» энергетики малых форм — зависимость от погодных условий. Трибоэлектрические генераторы на базе пористого кремния не требуют солнца или ветра; им необходимы лишь перепады давления.

Высокая скорость реакции системы (цикл интрузии-экструзии может происходить за доли секунды) позволяет использовать такие генераторы для сбора энергии высокочастотных вибраций. Кремниевый монолит, по сути, работает как сверхбыстрая и вечная гидравлическая пружина, генерирующая ток.

Вряд ли мы будем питать дома от таких устройств, они скорее про маломощную носимую электронику, но все равно потенциальные области применения технологии обширны:

1. Промышленный мониторинг: автономные датчики давления и вибрации в трубопроводах и гидравлических системах, питающиеся от измеряемой среды.
2. Транспорт: амортизаторы, преобразующие энергию ударов дорожного полотна в электричество для бортовой электроники.
3. Океаническая энергетика: системы сбора энергии волн, где колебания давления воды преобразуются в стабильный ток без использования сложных механических турбин.

Работа европейских ученых переводит технологию IE-TENG в категорию перспективных инженерных решений. Использование стандартных для полупроводниковой промышленности материалов (кремния) и процессов (травления) дает надежду на то, что масштабирование и коммерциализация этой технологии — вопрос ближайшего будущего.

Источник:Nano Energy