Generatori Nanogeneratori Triboelettrici Alimentati dall’Acqua: Spiegazione

Spinti dalla necessità di una maggiore sicurezza energetica, risparmio sui costi e preoccupazioni ambientali, la domanda di soluzioni energetiche sostenibili è cresciuta notevolmente.

Ciò ha spinto i ricercatori a sviluppare tecnologie di raccolta energetica che convertono l’energia meccanica ambientale in energia elettrica. Queste tecnologie hanno il potenziale di svolgere un ruolo cruciale in applicazioni come la generazione di energia, i trasporti e l’elettronica.

Tra queste tecnologie, i generatori nanogeneratori triboelettrici (TENG) sono emersi come un mezzo promettente per sfruttare l’energia meccanica proveniente dall’ambiente, come il movimento e le vibrazioni.

Di conseguenza, molti ricercatori stanno esplorando nuovi materiali, design e meccanismi per migliorare la produzione di energia, la durata e la scalabilità per un utilizzo nel mondo reale.

All’inizio di quest’anno, ricercatori dell’Università dell’Alabama hanno dimostrato l’uso di questi dispositivi per generare elettricità. La chiave è stata l’utilizzo di nastro economico, acquistato in negozio e robusto, insieme a plastica e alluminio, invece di costosi materiali appositamente fabbricati solitamente impiegati per i TENG.

Questa versione migliorata del TENG¹ sfrutta l’interazione tra lo strato adesivo acrilico sensibile alla pressione del nastro e il suo supporto in polipropilene per generare fino a 53 milliwatt di potenza. Il TENG è stato posizionato su una piastra vibrante, che porta ripetutamente i due strati a contatto prima di separarli, generando così elettricità.

Oltre a produrre energia sufficiente per illuminare più di 350 LED e un puntatore laser, il dispositivo è stato integrato anche in un sensore acustico e in un indumento autoalimentato.

In un altro studio, un team internazionale di ricercatori ha generato elettricità utilizzando piccole perline di plastica posizionate vicine su una superficie, per poi metterle a contatto con un’altra superficie contenente le stesse perline, producendo più elettricità del solito.

Le dimensioni e il materiale delle perline si sono rivelati importanti, con l’autore principale, il dott. Ignaas Jimidar della VUB, che ha osservato: “piccoli cambiamenti nella selezione dei materiali possono portare a miglioramenti significativi nell’efficienza della generazione di energia”, creando nuove possibilità per i TENG nella vita quotidiana, senza dipendere dalle fonti energetiche tradizionali.

Questi risultati e progressi dimostrano che i ricercatori stanno aprendo la strada a applicazioni trasformative della tecnologia TENG.

Secondo Zhong Lin Wang, il primo a dimostrare un TENG funzionante, i generatori nanogeneratori triboelettrici possono essere cruciali nella spinta verso la democratizzazione dell’energia.

“Sfruttando azioni fisiche quotidiane, consentono all’elettronica di essere autoalimentata, eliminando la necessità di dipendere da reti elettriche centralizzate. Questo ‘raccolto di energia ambientale’ si allinea strettamente a numerose tendenze globali, come la sostenibilità, l’assistenza sanitaria personalizzata e l’Internet delle Cose”, ha detto Wang in un’intervista.³ “I TENG sono già praticabili per il rilevamento a bassa potenza e distribuito, ma la loro vera rivoluzione risiede nella futura raccolta di energia su larga scala e nella sinergia uomo-macchina.”

Come i Generatori Nanogeneratori Triboelettrici (TENG) Convertono il Movimento in Elettricità

Man mano che la ricerca sui generatori nanogeneratori triboelettrici continua ad accelerare, i recenti progressi hanno ampliato l’ambito di ciò che questi dispositivi possono raccogliere, dalle vibrazioni sottili e dal movimento del corpo a forze ambientali come vento, gocce e flusso di fluidi.

Ora, come funzionano esattamente questi generatori nanogeneratori triboelettrici (TENG)? Beh, convertono l’energia meccanica in energia elettrica tramite l’elettrificazione da contatto e l’induzione elettrostatica.

L’elettrificazione da contatto comporta il trasferimento di carica che avviene quando due superfici entrano in contatto, con una che diventa positivamente carica e l’altra negativamente. L’induzione elettrostatica, o influenza elettrostatica, invece, è una ridistribuzione della carica elettrica senza contatto diretto.

Ciò che rende i TENG eccezionali è la loro alta densità di potenza istantanea, la ampia compatibilità dei materiali e la scalabilità. Con applicazioni che spaziano dalle fonti di energia, al blue energy, ai sensori autoalimentati, questi dispositivi sono stati integrati con successo in elettronica indossabile, sensori autoalimentati e reti energetiche su larga scala.

Ma, naturalmente, rimangono sfide in termini di integrazione con i sistemi di energia esistenti, stabilità a lungo termine e efficienza di trasferimento e conversione della carica.

Esistono in realtà diverse strategie TENG per raccogliere, sfruttare e convertire efficacemente energia inutilizzata o sprecata. Una promettente è il TENG solido‑liquido, che, a differenza dei tradizionali TENG solido‑solido, offre un design semplice ed economico, una migliore efficienza di trasferimento della carica, capacità di auto‑guarigione, durabilità a lungo termine e adattabilità a ambienti dinamici.

La ricerca ha inoltre dimostrato che la modifica di materiali e/o liquidi, come superfici idrofobiche o soluzioni ioniche, può aumentare la produzione triboelettrica e aprire nuove strade per la raccolta di energia in ambienti acquosi e biomedici.

All’inizio di quest’anno, un team di ricercatori ha dimostrato l’uso di un TENG liquido‑solido per catturare “blue energy” dalle onde oceaniche, concentrandosi sul superare la sfida della bassa produzione di energia. Lo hanno fatto ottimizzando la posizione dell’elettrodo di raccolta dell’energia.

Utilizzando un tubo di plastica trasparente da 16 pollici, hanno creato un TENG con un elettrodo in foglio di rame a un’estremità. Il tubo è stato poi riempito d’acqua fino a un quarto della sua lunghezza prima di sigillare le estremità, con un filo che collega l’elettrodo a un circuito esterno. Il dispositivo è stato poi posizionato su un dondolo da banco, che muoveva l’acqua all’interno avanti e indietro generando correnti elettriche.

Questo design ottimizzato ha aumentato la conversione energetica di 2,4 volte e ha permesso di far lampeggiare una serie di 35 LED.

In un altro esperimento di qualche anno fa, i ricercatori hanno creato un TENG simile a un’alga per dimostrare il suo potenziale nel ridurre la dipendenza dalle batterie lungo la costa.

Ciò che hanno fatto è stato rivestire strisce di 1,5 pollici per 3 pollici di due diversi polimeri con inchiostro conduttivo, inserendo una piccola spugna tra di loro per creare un sottile spazio d’aria, e poi sigillare l’intera unità per creare un TENG. Quando il dispositivo si muoveva su e giù nell’acqua, la striscia si piegava avanti e indietro generando elettricità.

Lo spazio d’aria si riduceva quando il TENG era immerso in acqua a pressioni tipiche delle zone costiere, ma generava comunque corrente a 100 kPa. Hanno anche usato un bacino d’onda per dimostrare che più TENG potevano essere usati come una mini stazione di energia subacquea, fornendo energia per 30 LED o per un piccolo faro a LED lampeggiante.

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Utilizzo di Acqua, Silicio Nanoporofo e Pressione per la Raccolta Energetica dei TENG

Ora, un team europeo di ricercatori si è concentrato su una particolare applicazione dei TENG liquido‑solido: i Generatori Nanogeneratori Triboelettrici di Intrusione‑Estrusione (IE‑TENG).

Questo sistema utilizza liquidi non bagnanti, cioè acqua e una soluzione di polietilenimina, e monoliti di silicio nanoporofo.

Sfruttando l’architettura nanoporofo idrofobica dei materiali, può generare elettricità mediante il movimento controllato del liquido dentro e fuori spazi confinati, che provoca accumulo e ridistribuzione di carica, risultando in fluttuazioni di corrente e tensione che possono essere sfruttate per la conversione energetica.

Un grande vantaggio degli IE‑TENG è che possono superare una limitazione chiave dei TENG tradizionali: l’area di contatto limitata tra i materiali. L’uso di materiali nanoporofo con superfici che vanno da centinaia a migliaia di metri quadrati per grammo consente agli IE‑TENG di migliorare significativamente la densità energetica specifica per area e le prestazioni complessive di questi dispositivi.

I monoliti di silicio nanoporofo, nel frattempo, sono stati utilizzati perché sono stati ampiamente studiati nei campi medico, ottico, elettronico e meccanico. Hanno fornito ai ricercatori diversi vantaggi importanti.

Ciò include il silicio poroso drogato, cioè conduttivo, che migliora il trasferimento e la raccolta di carica durante il processo di intrusione‑estrusione, migliorando così l’efficienza dell’output elettrico. I monoliti di silicio nanoporofo possono anche essere trasformati in superfici idrofobiche, essenziali per la generazione di energia basata su intrusione‑estrusione.

Lo studio ha trovato i monoliti di silicio poroso candidati promettenti per i IE‑TENG di nuova generazione, raggiungendo un aumento di tre ordini di grandezza nella densità di potenza istantanea e un aumento di due ordini di grandezza nell’energia per ciclo di intrusione‑estrusione.

Si ritiene che, grazie a continui progressi, gli IE‑TENG che sfruttano materiali porosi conduttivi possano offrire un’alternativa valida per “sistemi di raccolta energetica ad alte prestazioni e autosostenibili” nell’elettronica indossabile e nelle applicazioni di recupero energetico industriale.

Il nuovo metodo per convertire l’energia meccanica in elettricità, sviluppato da un team di scienziati europei, utilizza acqua intrappolata nei pori del silicio come fluido di lavoro.

Nello studio intitolato “Triboelettrificazione durante l’intrusione‑estrusione di liquidi non bagnanti in monoliti di silicio nanoporofo idrofobico⁶”, hanno dimostrato la capacità di intrusione ed estrusione ciclica dell’acqua in monoliti di silicio nanoporofo resistenti all’acqua di produrre potenza elettrica quantificabile.

Il nuovo sistema, IE‑TENG, è stato sviluppato in una collaborazione tra la Hamburg University of Technology (TUHH) e DESY (il Sincrontrone Elettronico Tedesco), l’Università di Ferrara (Italia), CIC energiGUNE (Spagna), la Riga Technical University (Lettonia) e l’Università della Slesia a Katowice (Polonia). Utilizza la pressione per forzare ripetutamente l’acqua dentro e fuori pori di dimensioni nanometriche.

Durante questo processo, si genera una carica all’interfaccia tra il solido e il liquido. Curiosamente, si tratta di un tipo di elettricità da attrito che osserviamo spesso nella vita quotidiana, come camminare su un tappeto in PVC idrorepellente con le scarpe.

È un esempio piuttosto comune di elettricità statica generata dall’effetto triboelettrico. Un altro esempio è toccare la maniglia di una porta e ricevere una piccola scossa elettrica. Ciò che accade è che l’accumulo di carica elettrica sul corpo si scarica rapidamente attraverso un conduttore, come una maniglia metallica.

Nel caso del nuovo sistema sviluppato, ha raggiunto un’efficienza di conversione energetica fino al 9%.

“Anche l’acqua pura, quando confinata a scala nanometrica, può consentire la conversione energetica,” ha detto il professor Patrick Huber, portavoce del BlueMat: Water-Driven Materials Excellence Cluster presso la TUHH e DESY, il cui obiettivo è sviluppare una nuova classe di materiali sostenibili ispirati alla natura che modificano le loro proprietà attraverso l’interazione con l’acqua.

Pochi mesi fa, il Cluster ha ricevuto fino a 70 milioni di euro in finanziamenti per la ricerca, garantendo supporto fino al 2033.

Il loro approccio alla raccolta di energia triboelettrica mediante l’utilizzo di una struttura monolitica nanoporofo offre una via alternativa per migliorare l’elettrificazione da contatto in interfacce solido‑liquido confinate.

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno generato elettricità nei pori di silicio esclusivamente tramite attrito causato da pressione e acqua.

“Combinare il silicio nanoporofo con l’acqua consente una fonte di energia efficiente e riproducibile — senza materiali esotici, ma semplicemente usando il semiconduttore più abbondante sulla Terra, il silicio, e il liquido più abbondante, l’acqua.”

– Dr. Luis Bartolomé, CIC energiGUNE

Il design del materiale è stato fondamentale, poiché avevano bisogno di qualcosa che consentisse il trasferimento di elettricità, avesse pori di dimensioni nanometriche e fosse respinto dall’acqua.

“Un passo cruciale è stato lo sviluppo di strutture di silicio progettate con precisione, simultaneamente conduttive, nanoporofo e idrofobiche,” poiché questa architettura ha permesso loro di controllare il movimento dell’acqua all’interno dei pori, rendendo così il processo di conversione energetica stabile e scalabile, ha spiegato il dott. Manuel Brinker dell’Hamburg University of Technology.

L’uso da parte dei ricercatori di strutture di silicio monolitiche, anziché di IE‑TENG basati su polvere che si affidano a particelle porose sciolte, ha consentito una raccolta di energia più efficiente e riproducibile. Hanno anche ottenuto miglioramenti significativi nella densità di potenza istantanea, cioè la potenza erogata in un determinato momento a un mezzo da una corrente transitoria, e nell’energia per ciclo.

Il team ha inoltre identificato la dimensione dei pori e il volume totale dei pori come i due fattori principali che governano le prestazioni triboelettriche, sottolineando l’importanza di ottimizzare queste proprietà strutturali.

Inoltre, la loro analisi ha rilevato che tassi di compressione più elevati aumentavano la generazione di potenza elettrica, mentre la scelta del mezzo liquido migliorava notevolmente l’efficienza triboelettrica. L’uso di una soluzione allo 0,1% di polietilenimina (PEI), in particolare, ha permesso al team di raggiungere la più alta efficienza di conversione energetica riportata (9%) per i TENG solido‑liquido.

Con questi risultati, il team mira a fornire una solida base per ulteriori ottimizzazioni della raccolta di energia triboelettrica solido‑liquido. L’attenzione della ricerca futura, secondo i ricercatori, dovrebbe concentrarsi sulla selezione del liquido, sulla personalizzazione delle architetture dei pori e sulle modifiche superficiali dei monoliti di silicio.

La tecnologia, nel frattempo, apre la strada a applicazioni in sistemi di rilevamento autoalimentati, elettronica indossabile e raccolta di energia ambientale.

Secondo gli scienziati, apre la via a “sistemi di sensori autonomi e senza manutenzione”.

Quindi, la tecnologia può essere applicata alla rilevazione dell’acqua e al monitoraggio della salute in indumenti intelligenti. Può anche essere usata nella robotica aptica, dove il movimento genera direttamente un segnale elettrico. Inoltre, la tecnologia è adatta a applicazioni che richiedono alta pressione meccanica, come gli ammortizzatori dei veicoli.

“I materiali alimentati dall’acqua segnano l’inizio di una nuova generazione di tecnologie autosostenibili,” hanno dichiarato i co‑autori il professor Simone Meloni dell’Università di Ferrara e il dott. Yaroslav Grosu di CIC energiGUNE.

Come abbiamo recentemente evidenziato, questo approccio di design “integrato nella natura” è stato adottato anche per sviluppare un nuovo DEG galleggiante integrato con acqua (W‑DEG) che sfrutta le proprietà elettriche e strutturali dell’acqua. L’uso di “acqua libera” come materiale di costruzione ha permesso al W‑DEG di avere un peso e un costo dei materiali molto più bassi e un alto potenziale per applicazioni senza terra, mostrando al contempo una scalabilità eccezionale e una grande durabilità in condizioni operative variabili.

Investire nei Semiconduttori per la Raccolta Energetica: Il Caso di TXN

Mentre questi specifici monoliti di silicio sono attualmente nella fase di ricerca, gli investitori che desiderano capitalizzare la tendenza sottostante della gestione dell’energia a bassa potenza dovrebbero guardare al mercato dei semiconduttori consolidato, dove Texas Instruments Incorporated (TXN ) è un attore chiave, fornendo microcontrollori a bassa potenza, IC per la gestione dell’energia e soluzioni analogiche/mixed‑signal.

L’azienda globale di semiconduttori progetta e produce chip analogici e di elaborazione embedded per l’automotive, i sistemi aziendali, l’elettronica personale, le apparecchiature di comunicazione e le applicazioni industriali.

Il suo portafoglio è progettato per gestire i requisiti di potenza su diversi livelli di tensione, includendo interruttori di potenza, regolatori di commutazione AC/DC e DC/DC isolati, regolatori di commutazione DC/DC, riferimenti di tensione, soluzioni di gestione della batteria e altri.

Texas Instruments vanta una solida posizione finanziaria. Per il Q3 2025, l’azienda ha riportato un fatturato di 4,74 miliardi di dollari, in crescita del 7% sequenziale e del 14% su base annua, con crescita in tutti i mercati finali. Il fatturato analogico è cresciuto del 16% su base annua, l’elaborazione embedded del 9% e il segmento “altro” dell’11%.

Sul lato della redditività, TI ha generato 1,36 miliardi di dollari di utile netto e 1,48 dollari di utile per azione diluito per il trimestre. Negli ultimi 12 mesi, il flusso di cassa operativo ha totalizzato 6,9 miliardi di dollari, e il free cash flow è stato di 2,4 miliardi di dollari, sottolineando la capacità dell’azienda di finanziare investimenti in conto capitale elevati e ritorni agli azionisti, continuando a investire in R&D.

“Il nostro flusso di cassa operativo di 6,9 miliardi di dollari negli ultimi 12 mesi ha nuovamente sottolineato la solidità del nostro modello di business, la qualità del nostro portafoglio prodotti e il vantaggio della produzione a 300 mm.”

– CEO Haviv Ilan

Durante il Q3 2025, TI ha pagato circa 1,2 miliardi di dollari in dividendi e ha riacquistato circa 119 milioni di dollari delle proprie azioni, contribuendo a 6,6 miliardi di dollari restituiti agli azionisti negli ultimi 12 mesi. A settembre, l’azienda ha annunciato un aumento del 4% del dividendo a 1,42 dollari per azione, segnando 22 anni consecutivi di crescita dei dividendi.

Alla fine di novembre 2025, TXN scambia intorno ai 160 dollari, circa il 25‑30% al di sotto del massimo a 52 settimane di 221,69 dollari raggiunto a luglio 2025. Sebbene il titolo sia retrocesso da quei massimi e abbia registrato rendimenti negativi nell’ultimo anno, la combinazione di vendite analogiche in crescita, un rendimento da dividendo superiore al 3% e riacquisti a lungo termine continua ad attrarre investitori orientati al reddito.

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Conclusione: Dove si Inseriscono i TENG nel Futuro dell’Energia Pulita

Nel mondo della raccolta di energia, i TENG offrono un modo a basso costo, efficiente e sostenibile per convertire l’energia meccanica in elettricità. Trasformando non solo le interazioni meccaniche quotidiane ma anche il flusso di fluidi e le fluttuazioni di pressione in elettricità utilizzabile, queste tecnologie promettono indumenti flessibili, sensori autoalimentati, sistemi energetici per l’ambiente marino e molto altro.

Sebbene l’adozione reale dei TENG sia attualmente limitata, attraverso una ricerca continua per perfezionare le architetture dei materiali, migliorare l’efficienza e integrare i TENG con i sistemi di energia esistenti, questi dispositivi potranno finalmente diventare praticabili per una più ampia diffusione commerciale.

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Riferimenti

1. Jang, M.-H.; Rabbitte, S. P.; Frendi, A.; Conners, R. T.; Lei, Y.; Wang, G. “Raccolta di Energia Triboelettrica ad Alta Potenza e Ampia Larghezza di Banda con Scotch Tape.” ACS Omega 10, no. 3 (2025): 2778–2789. https://doi.org/10.1021/acsomega.4c08590
2. Jimidar, I. S. M., Mālnieks, K., Sotthewes, K., Sherrell, P. C., & Šutka, A. “Interfacce Granulari nei TENG: Il Ruolo dei Monostrati di Perline di Polimero Compatate per i Raccoglitori di Energia.” Small 21, no. 9 (2025): Article 2410155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155
3. Wang, Z. L. “Il futuro dei TENG con Zhong Lin Wang.” Communications Materials 6 (2025): Article 125. https://doi.org/10.1038/s43246-025-00847-7
4. Zhang, H.; Dai, G.; Luo, Y.; Zheng, T. “Effetto del Volume Spaziale in un Triboelettrico Nanogeneratore Tubolare Liquido‑Solido per il Potenziamento delle Prestazioni di Output.” ACS Energy Letters 9, no. 4 (2024): 1431–1439. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00072
5. Wang, Y.; Liu, X.; Wang, Y.; Wang, H.; Wang, H.; Zhang, S. L.; Zhao, T.; Xu, M.; Wang, Z.-L. “Generatori Nanogeneratori Triboelettrici Flessibili Simili a Alghe come Raccoglitori di Energia Ondosa per Alimentare l’Internet delle Cose Marittimo.” 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. “Triboelettrificazione durante l’intrusione‑estrusione di liquidi non bagnanti in monoliti di silicio nanoporofo idrofobico.” Nano Energy 146 (2025): Article 111488. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111488