Générateurs Nanogénérateurs Triboélectriques à Eau : Explication

Motivée par le besoin d’une plus grande sécurité énergétique, d’économies de coûts et de préoccupations environnementales, la demande de solutions énergétiques durables a considérablement augmenté.

Cela a conduit les chercheurs à développer des technologies de récupération d’énergie qui convertissent l’énergie mécanique ambiante en énergie électrique. Ces technologies ont le potentiel de jouer un rôle crucial dans des applications telles que la production d’énergie, le transport et l’électronique.

Parmi ces technologies, les nanogénérateurs triboélectriques (TENG) sont apparus comme un moyen prometteur d’exploiter l’énergie mécanique de notre environnement, comme le mouvement et les vibrations.

En conséquence, de nombreux chercheurs explorent de nouveaux matériaux, conceptions et mécanismes afin d’améliorer la production d’énergie, la durabilité et l’évolutivité pour une utilisation réelle.

Plus tôt cette année, des chercheurs de l’Université de l’Alabama ont démontré l’utilisation de ces dispositifs pour générer de l’électricité. L’élément clé était l’utilisation de ruban adhésif bon marché, acheté en magasin, robuste, accompagné de plastique et d’aluminium, plutôt que des matériaux coûteux et spécialement fabriqués habituellement utilisés pour les TENG.

Cette version améliorée du TENG¹ exploite l’interaction entre la couche adhésive acrylique sensible à la pression du ruban et son support en polypropylène pour générer jusqu’à 53 milliwatts de puissance. Le TENG a été placé sur une plaque vibrante, qui rapproche répétitivement les deux couches avant de les séparer, générant ainsi de l’électricité.

En plus de produire suffisamment d’énergie pour alimenter plus de 350 LED et un pointeur laser, le dispositif a également été intégré à un capteur acoustique et à un vêtement autonome.

Dans une autre étude, une équipe internationale de chercheurs a généré de l’électricité en utilisant de petites perles plastiques placées proches les unes des autres sur une surface, puis mises en contact avec une autre surface contenant les mêmes perles, produisant ainsi davantage d’électricité que d’habitude.

La taille et le matériau des perles se sont avérés importants, le premier auteur, le Dr Ignaas Jimidar de la VUB, soulignant que « de petits changements dans le choix du matériau peuvent conduire à des améliorations significatives de l’efficacité de génération d’énergie », ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour les TENG dans la vie quotidienne, sans dépendre des sources d’énergie traditionnelles.

Ces découvertes et avancées montrent que les chercheurs ouvrent la voie à des applications transformatrices de la technologie TENG.

Selon Zhong Lin Wang, qui a été le premier à démontrer un TENG fonctionnel, les nanogénérateurs triboélectriques peuvent être essentiels dans la poussée vers la démocratisation de l’énergie.

« En exploitant des actions physiques banales, ils permettent aux appareils électroniques d’être autonomes, éliminant ainsi le besoin de dépendre de réseaux électriques centralisés. Cette « récupération d’énergie ambiante » s’aligne étroitement avec plusieurs tendances mondiales, telles que la durabilité, les soins de santé personnalisés et l’Internet des objets », a déclaré Wang dans une interview.³ « Les TENG sont déjà viables pour la détection à faible puissance et distribuée, mais leur véritable disruption réside dans la future récupération d’énergie à grande échelle et la synergie homme‑machine. »

Comment les nanogénérateurs triboélectriques (TENG) convertissent le mouvement en électricité

Alors que la recherche sur les nanogénérateurs triboélectriques continue de s’accélérer, les avancées récentes ont élargi le champ de ce que ces dispositifs peuvent récupérer, des vibrations subtiles et du mouvement corporel aux forces environnementales telles que le vent, les gouttelettes et le flux de fluides.

Alors, comment ces nanogénérateurs triboélectriques (TENG) fonctionnent-ils ? Eh bien, ils convertissent l’énergie mécanique en énergie électrique grâce à l’électrification de contact et à l’induction électrostatique.

L’électrification de contact implique le transfert de charge qui se produit lorsque deux surfaces entrent en contact, l’une devenant positivement chargée et l’autre négativement. L’induction électrostatique, quant à elle, est une redistribution de charge électrique sans contact direct.

Ce qui est remarquable avec les TENG, c’est leur densité de puissance instantanée élevée, leur large compatibilité matérielle et leur évolutivité. Avec des applications couvrant les sources d’énergie, l’énergie bleue et les capteurs autonomes, ces dispositifs ont été intégrés avec succès dans l’électronique portable, les capteurs auto‑alimentés et les réseaux énergétiques à grande échelle.

Mais bien sûr, des défis subsistent en termes d’intégration aux systèmes d’alimentation existants, de stabilité à long terme, ainsi que d’efficacité du transfert et de la conversion de charge.

Il existe en fait différentes stratégies TENG pour récolter, exploiter et convertir efficacement l’énergie inutilisée ou perdue. L’une des plus prometteuses est le TENG solide‑liquide qui, contrairement aux TENG solide‑solide traditionnels, offre une conception simple et économique, une efficacité de transfert de charge améliorée, des capacités d’auto‑guérison, une durabilité à long terme et une adaptabilité aux environnements dynamiques.

La recherche a également montré que la modification des matériaux et/ou des liquides, comme les surfaces hydrophobes ou les solutions ioniques, peut augmenter la production triboélectrique et ouvrir de nouvelles voies de récupération d’énergie dans les environnements aqueux et biomédicaux.

Plus tôt cette année, une équipe de chercheurs a démontré l’utilisation d’un TENG liquide‑solide pour capturer « l’énergie bleue » des vagues océaniques, en se concentrant sur le dépassement du défi de la faible production d’énergie. Ils ont réalisé cela en optimisant l’emplacement de l’électrode de collecte d’énergie.

En utilisant un tube en plastique transparent de 16 pouces, ils ont créé un TENG avec une électrode en feuille de cuivre à une extrémité. Le tube a ensuite été rempli d’eau jusqu’à un quart de sa longueur avant que les extrémités ne soient scellées, un fil reliant l’électrode à un circuit externe. Le dispositif a ensuite été placé sur un balancier de laboratoire, qui déplaçait l’eau à l’intérieur d’avant en arrière, générant ainsi des courants électriques.

Cette conception optimisée a augmenté la conversion d’énergie de 2,4 fois et a permis de faire clignoter un ensemble de 35 LED.

Dans une autre expérience datant de quelques années, des chercheurs ont créé un TENG en forme d’algue pour démontrer son potentiel à réduire la dépendance aux batteries le long du littoral.

Ce qu’ils ont fait était de recouvrir des bandes de 1,5 pouce sur 3 pouces de deux polymères différents avec une encre conductrice, d’insérer une petite éponge entre elles pour créer un mince espace d’air, puis de sceller l’ensemble pour créer un TENG. Lorsque le dispositif se déplaçait de haut en bas dans l’eau, la bande se pliait d’avant en arrière pour générer de l’électricité.

L’écart d’air diminuait lorsque le TENG était submergé dans l’eau à des pressions rencontrées sous l’eau dans les zones côtières, mais il générait toujours un courant à 100 kPa. Ils ont également utilisé un bassin à vagues pour démontrer que plusieurs TENG pouvaient servir de mini station d’alimentation sous-marine, fournissant de l’énergie à 30 LED ou à un petit phare clignotant à LED.

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Utilisation de l’eau, du silicium nanoporeux et de la pression pour la récupération d’énergie TENG

Aujourd’hui, une équipe européenne de chercheurs s’est tournée vers une application particulière des TENG liquide‑solide : les nanogénérateurs triboélectriques d’intrusion‑extrusion (IE‑TENG).

Ce système utilise des liquides non mouillants, c’est‑à‑dire de l’eau et une solution de polyéthylènimine, ainsi que des monolithes de silicium nanoporeux.

En tirant parti de l’architecture nanoporeuse hydrophobe des matériaux, il peut générer de l’électricité grâce au mouvement contrôlé du liquide à l’intérieur et à l’extérieur d’espaces confinés, ce qui provoque une accumulation et une redistribution de charge, entraînant des fluctuations de courant et de tension exploitables pour la conversion d’énergie.

Un avantage majeur des IE‑TENG est qu’ils peuvent surmonter une limitation clé des TENG traditionnels : la zone de contact restreinte entre les matériaux. L’utilisation de matériaux nanoporeux avec des surfaces allant de centaines à des milliers de mètres carrés par gramme permet aux IE‑TENG d’augmenter significativement la densité d’énergie spécifique à la surface et les performances globales de ces dispositifs.

Les monolithes de silicium nanoporeux, quant à eux, ont été utilisés car ils ont fait l’objet de nombreuses recherches dans les domaines médical, optique, électronique et mécanique. Ils ont offert aux chercheurs plusieurs avantages majeurs.

Cela comprend le silicium poreux dopé, c’est‑à‑dire conducteur, qui améliore le transfert et la collecte de charge pendant le processus d’intrusion‑extrusion, améliorant ainsi l’efficacité de la production électrique. Les monolithes de silicium nanoporeux peuvent également être transformés en surfaces hydrophobes, essentielles à la génération d’énergie basée sur l’intrusion‑extrusion.

L’étude a trouvé que les monolithes de silicium poreux sont des candidats prometteurs pour les IE‑TENG de prochaine génération, réalisant une augmentation de trois ordres de grandeur de la densité de puissance instantanée et une hausse de deux ordres de grandeur de l’énergie par cycle d’intrusion‑extrusion.

Il estime qu’à travers des avancées continues, les IE‑TENG exploitant des matériaux conducteurs poreux pourraient offrir une alternative viable pour les « systèmes de récupération d’énergie haute performance et autosuffisants » dans l’électronique portable et les applications de récupération d’énergie industrielle.

La nouvelle méthode de conversion de l’énergie mécanique en électricité, développée par une équipe de scientifiques européens, utilise de l’eau piégée dans les pores de silicium comme fluide de travail.

Dans l’étude intitulée « Triboelectrification during non-wetting liquids intrusion-extrusion in hydrophobic nanoporous silicon monoliths », ils ont démontré la capacité d’intrusion et d’extrusion cycliques d’eau dans des monolithes de silicium nanoporeux résistants à l’eau à produire une puissance électrique quantifiable.

Le nouveau système, IE‑TENG, a été développé dans le cadre d’une collaboration entre l’Université de technologie de Hambourg (TUHH) et le DESY (Synchrotron d’électrons allemand), l’Université de Ferrare (Italie), le CIC energiGUNE (Espagne), l’Université technique de Riga (Lettonie) et l’Université de Silésie à Katowice (Pologne). Il utilise la pression pour forcer de façon répétée l’eau à entrer et sortir de pores de l’ordre du nanomètre.

Pendant ce processus, une charge est produite à l’interface entre le solide et le liquide. Fait intéressant, il s’agit d’un type d’électricité de frottement que nous observons souvent dans la vie quotidienne, comme marcher sur un tapis en PVC résistant à l’eau avec des chaussures.

C’est un exemple assez courant d’électricité statique générée par l’effet triboélectrique. Un autre exemple est de toucher une poignée de porte et de recevoir une petite décharge électrique. Ce qui se passe, c’est que l’accumulation de charge électrique sur votre corps se décharge rapidement à travers un conducteur, comme une poignée métallique.

Dans le cas du système récemment développé, il a atteint une efficacité de conversion énergétique allant jusqu’à 9 %.

« Même l’eau pure, lorsqu’elle est confinée à l’échelle nanométrique, peut permettre la conversion d’énergie », a déclaré le professeur Patrick Huber, porte-parole du BlueMat : Water‑Driven Materials Excellence Cluster à la TUHH et au DESY, dont l’objectif est de développer une nouvelle classe de matériaux durables inspirés de la nature qui modifient leurs propriétés par interaction avec l’eau.

Il y a quelques mois seulement, le Cluster a reçu jusqu’à 70 millions d’euros de financement de recherche, assurant un soutien jusqu’en 2033.

Leur approche de récupération d’énergie triboélectrique en utilisant un cadre monolithique nanoporeux offre une voie alternative pour améliorer l’électrification de contact aux interfaces solide‑liquide confinées.

Dans leurs travaux, les chercheurs ont généré de l’électricité dans les pores de silicium uniquement grâce au frottement provoqué par la pression et l’eau.

« Combiner le silicium nanoporeux avec de l’eau permet d’obtenir une source d’énergie efficace et reproductible — sans matériaux exotiques, mais simplement en utilisant le semi‑conducteur le plus abondant sur Terre, le silicium, et le liquide le plus abondant, l’eau. »

– Dr Luis Bartolomé, CIC energiGUNE

La conception du matériau était ici la clé, car ils avaient besoin de quelque chose qui permette le transfert d’électricité, possède des pores de taille nanométrique et soit repoussé par l’eau.

« Une étape cruciale a été le développement de structures de silicium précisément conçues, à la fois conductrices, nanoporeuses et hydrophobes », car cette architecture leur a permis de contrôler le mouvement de l’eau à l’intérieur des pores, rendant ainsi le processus de conversion d’énergie stable et évolutif, a expliqué le Dr Manuel Brinker de l’Université de technologie de Hambourg.

L’utilisation par les chercheurs de structures de silicium monolithiques, plutôt que des IE‑TENG à base de poudre reposant sur des particules poreuses lâches, a permis une récupération d’énergie plus efficace et reproductible. Ils ont également réalisé des améliorations significatives de la densité de puissance instantanée, qui est la puissance délivrée à un moment donné à un milieu par un courant transitoire, ainsi que de l’énergie par cycle.

L’équipe a également identifié la taille des pores et le volume poreux total comme les deux facteurs principaux régissant la performance triboélectrique, soulignant l’importance d’optimiser ces propriétés structurelles.

De plus, leur analyse a révélé que des taux de compression plus élevés amélioraient la génération de puissance électrique, tandis que le choix du liquide augmentait considérablement l’efficacité triboélectrique. L’utilisation d’une solution de polyéthylènimine (PEI) à 0,1 % a notamment permis à l’équipe d’atteindre l’efficacité de conversion énergétique la plus élevée (9 %) jamais rapportée pour les TENG solide‑liquide.

Avec ces résultats, l’équipe vise à fournir une base solide pour optimiser davantage la récupération d’énergie triboélectrique solide‑liquide. Selon les chercheurs, les recherches futures devraient se concentrer sur le choix du liquide, l’adaptation des architectures de pores et les modifications de surface des monolithes de silicium.

La technologie, quant à elle, ouvre la voie à des applications dans les systèmes de détection auto‑alimentés, l’électronique portable et la récupération d’énergie environnementale.

Selon les scientifiques, cela ouvre la voie à des « systèmes de capteurs autonomes et sans maintenance ».

Ainsi, la technologie peut être appliquée à la détection d’eau et à la surveillance de la santé dans les vêtements intelligents. Elle peut également être utilisée en robotique haptique, où le mouvement génère directement un signal électrique. De plus, la technologie convient parfaitement aux applications nécessitant une haute pression mécanique, comme les amortisseurs de véhicules.

« Les matériaux entraînés par l’eau marquent le début d’une nouvelle génération de technologies autosuffisantes », ont déclaré les co‑auteurs le professeur Simone Meloni de l’Université de Ferrare et le Dr Yaroslav Grosu du CIC energiGUNE.

Comme nous l’avons récemment couvert, une approche de conception « intégrée à la nature » a également été adoptée pour développer un nouveau DEG flottant intégré à l’eau (W‑DEG) qui exploite les propriétés électriques et structurelles de l’eau. L’utilisation d’« eau libre » comme matériau de construction a permis au W‑DEG d’avoir un poids et un coût matériel beaucoup plus faibles et un fort potentiel pour des applications sans terre, tout en montrant une évolutivité exceptionnelle et une grande durabilité dans des conditions de fonctionnement variables.

Investir dans les semi-conducteurs de récupération d’énergie : le cas de TXN

Alors que ces monolithes de silicium spécifiques sont encore en phase de recherche, les investisseurs cherchant à capitaliser sur la tendance sous‑jacente de la gestion d’énergie à faible puissance devraient se tourner vers le marché établi des semi‑conducteurs, où Texas Instruments Incorporated (TXN ) est un acteur clé, fournissant des microcontrôleurs à faible consommation, des circuits intégrés de gestion d’énergie et des solutions analogiques/mixte‑signal.

L’entreprise mondiale de semi‑conducteurs conçoit et fabrique des puces analogiques et de traitement embarqué pour l’automobile, les systèmes d’entreprise, l’électronique personnelle, les équipements de communication et les applications industrielles.

Son portefeuille est conçu pour gérer les besoins en énergie à différents niveaux de tension, incluant les commutateurs d’alimentation, les régulateurs à découpage AC/DC et DC/DC isolés, les régulateurs à découpage DC/DC, les références de tension, les solutions de gestion de batterie, et d’autres.

Texas Instruments affiche une situation financière solide. Pour le troisième trimestre 2025, l’entreprise a déclaré un chiffre d’affaires de 4,74 milliards de dollars, en hausse de 7 % séquentiellement et de 14 % d’une année sur l’autre, avec une croissance dans tous les marchés finaux. Les revenus analogiques ont augmenté de 16 % en glissement annuel, le traitement embarqué de 9 % et le segment « autre » de 11 %.

Du côté de la rentabilité, TI a généré 1,36 milliard de dollars de revenu net et 1,48 dollar de bénéfice dilué par action pour le trimestre. Au cours des 12 derniers mois, le flux de trésorerie provenant des opérations s’est élevé à 6,9 milliards de dollars, et le flux de trésorerie disponible à 2,4 milliards de dollars, soulignant la capacité de l’entreprise à financer des investissements lourds et des retours aux actionnaires tout en continuant d’investir dans la R&D.

« Notre flux de trésorerie provenant des opérations de 6,9 milliards de dollars au cours des 12 derniers mois a de nouveau souligné la solidité de notre modèle commercial, la qualité de notre portefeuille de produits et les avantages de la production en 300 mm. »

– CEO Haviv Ilan

Au cours du troisième trimestre 2025, TI a versé environ 1,2 milliard de dollars de dividendes et racheté environ 119 millions de dollars de ses propres actions, contribuant à 6,6 milliards de dollars retournés aux actionnaires au cours des 12 derniers mois. En septembre, l’entreprise a annoncé une hausse de 4 % du dividende à 1,42 dollar par action, marquant 22 années consécutives de croissance du dividende.

Fin novembre 2025, TXN se négocie autour de 160 dollars, soit environ 25 à 30 % en dessous de son plus haut sur 52 semaines de 221,69 dollars atteint en juillet 2025. Bien que l’action se soit repliée depuis ces sommets et ait enregistré des rendements négatifs au cours de l’année écoulée, la combinaison de la hausse des ventes analogiques, d’un rendement du dividende supérieur à 3 % et de rachats d’actions à long terme continue d’attirer les investisseurs orientés revenu.

Dernières nouvelles boursières de Texas Instruments Incorporated (TXN)

Conclusion : Où les TENG s’insèrent dans l’avenir de l’énergie propre

Dans le domaine de la récupération d’énergie, les TENG offrent une méthode à faible coût, efficace et durable pour convertir l’énergie mécanique en électricité. En transformant non seulement les interactions mécaniques quotidiennes mais aussi le flux de fluides et les fluctuations de pression en électricité utilisable, ces technologies promettent des vêtements flexibles, des capteurs auto‑alimentés, des systèmes d’énergie marine et bien plus encore.

Bien que l’adoption réelle des TENG soit actuellement limitée, grâce à la recherche continue visant à affiner les architectures matérielles, améliorer l’efficacité et intégrer les TENG aux systèmes d’alimentation existants, ces dispositifs pourront enfin devenir viables pour un déploiement commercial plus large.

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Références

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2. Jimidar, I. S. M., Mālnieks, K., Sotthewes, K., Sherrell, P. C., & Šutka, A. “Granular Interfaces in TENGs: The Role of Close-Packed Polymer Bead Monolayers for Energy Harvesters.” Small 21, no. 9 (2025): Article 2410155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155
3. Wang, Z. L. “The future of TENGs with Zhong Lin Wang.” Communications Materials 6 (2025): Article 125. https://doi.org/10.1038/s43246-025-00847-7
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5. Wang, Y.; Liu, X.; Wang, Y.; Wang, H.; Wang, H.; Zhang, S. L.; Zhao, T.; Xu, M.; Wang, Z.-L. “Flexible Seaweed-Like Triboelectric Nanogenerator as a Wave Energy Harvester Powering Marine Internet of Things.” ACS Nano 15, no. 10 (2021): 15700–15709. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05127
6. Bartolomé, L.; Verziaggi, N.; Brinker, M.; Amayuelas, E.; Merchori, S.; Arkan, M. Z.; Eglītis, R.; Šutka, A.; Chorążewski, M. A.; Huber, P.; Meloni, S.; Grosu, Y.; et al. “Triboelectrification during non-wetting liquids intrusion–extrusion in hydrophobic nanoporous silicon monoliths.” Nano Energy 146 (2025): Article 111488. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111488