Vann-drevne triboelektriske nanogeneratorer forklart

Drevet av behovet for større energisikkerhet, kostnadsbesparelser og miljøhensyn, har etterspørselen etter bærekraftige energiløsninger vokst betydelig.

Dette har ført forskere til å utvikle energihøstvoksende teknologier som omdanner omgivende mekanisk energi til elektrisk kraft. Disse teknologiene har potensial til å spille en avgjørende rolle i anvendelser som kraftproduksjon, transport og elektronikk.

Blant disse teknologiene har triboelektriske nanogeneratorer (TENGs) dukket opp som et lovende middel for å utnytte mekanisk energi fra omgivelsene våre, som bevegelse og vibrasjon.

Som et resultat utforsker mange forskere nye materialer, design og mekanismer for å forbedre energiproduksjon, holdbarhet og skalerbarhet for bruk i den virkelige verden.

Tidligere i år demonstrerte forskere fra University of Alabama bruken av disse enhetene for å generere elektrisitet. Nøkkelen var bruken av billig, butikk‑kjøpt, robust tape sammen med plast og aluminium i stedet for dyre, spesialfremstilte materialer som vanligvis brukes til TENGs.

Denne forbedrede versjonen av TENG¹ utnytter samspillet mellom det trykkfølsomme akrylklebebåndet og det polypropylen‑bakstykket for å generere opptil 53 milliwatt strøm. TENG-en ble plassert på en vibrerende plate, som gjentatte ganger bringer de to lagene i kontakt før de skilles, og dermed genererer elektrisitet.

I tillegg til å skape nok strøm til å lyse opp over 350 LED‑lys og en laserpeker, ble enheten også integrert i en akustisk sensor og en selvforsynt wearables.

I en annen studie genererte et internasjonalt forskerteam elektrisitet ved hjelp av små plastperler² plassert tett sammen på en overflate, som deretter ble brakt i kontakt med en annen overflate som inneholdt de samme perlene, og produserte mer strøm enn vanlig.

Størrelsen og materialet på perlene ble funnet å være viktige her, med hovedforfatter Dr. Ignaas Jimidar fra VUB, som bemerker: «små endringer i materialvalg kan føre til betydelige forbedringer i energigenererings‑effektiviteten», noe som skaper nye muligheter for TENGs i hverdagen, uten å være avhengig av tradisjonelle energikilder.

Disse funnene og fremskrittene viser at forskere baner vei for transformative anvendelser av TENG‑teknologi.

Ifølge Zhong Lin Wang, som var den første som demonstrerte en fungerende TENG, kan triboelektriske nanogeneratorer være avgjørende i arbeidet mot energidemokratisering.

«Ved å utnytte hverdagslige fysiske handlinger gjør de at elektronikk kan være selvforsynt, og fjerner behovet for å stole på sentraliserte strømnett. Denne ‘omgivende energisanking’ er i tråd med flere globale trender, som bærekraft, personlig helsepleie og tingenes internett», sa Wang i et intervju.³ «TENGs er allerede levedyktige for lavstrøm, distribuert sensoring, men deres egentlige gjennombrudd ligger i fremtidig storskala energihøsting og menneske‑maskin‑synergi.»

Hvordan triboelektriske nanogeneratorer (TENGs) omdanner bevegelse til elektrisitet

Etter hvert som forskningen på triboelektriske nanogeneratorer fortsetter å akselerere, har nylige fremskritt utvidet omfanget av hva disse enhetene kan høste, fra subtile vibrasjoner og kroppsbevegelser til miljøkrefter som vind, dråper og væskestrøm.

Nå, akkurat hvordan fungerer disse triboelektriske nanogeneratorene (TENGs)? De konverterer mekanisk energi til elektrisk energi gjennom kontakt‑elektrifisering og elektrostatiske induksjon.

Kontakt‑elektrifisering innebærer overføring av ladning som skjer når to overflater kommer i kontakt, hvor den ene blir positivt ladet og den andre negativt ladet. Elektrostatiske induksjon eller elektrostatiske påvirkning er derimot en omfordeling av elektrisk ladning uten direkte kontakt.

Det som er flott med TENGs er deres høye umiddelbare effekt‑tetthet, brede materialkompatibilitet og skalerbarhet. Med anvendelser som spenner over kraftkilder, blå energi og selvforsynte sensorer, har disse enhetene blitt vellykket integrert i bærbar elektronikk, selvforsynte sensorer og storskala energinettverk.

Men selvfølgelig er det fortsatt utfordringer når det gjelder integrering med eksisterende kraftsystemer, langsiktig stabilitet, samt ladningsoverføring og omdannelseseffektivitet.

Det finnes faktisk ulike TENG‑strategier for å høste, utnytte og konvertere ubrukt eller bortkastet energi effektivt. En lovende er solid‑væske‑TENG, som, i motsetning til tradisjonelle solid‑solid‑TENGs, tilbyr et enkelt, kostnadseffektivt design, forbedret ladningsoverførings‑effektivitet, selv‑helbredende egenskaper, langvarig holdbarhet og tilpasning til dynamiske miljøer.

Forskning har også vist at modifisering av materialer og/eller væsker, som hydrofobe overflater eller ioniske løsninger, kan øke triboelektrisk ytelse og åpne nye veier for energihøsting i vannige og biomedisinske miljøer.

Tidligere i år demonstrerte et forskerteam bruken av en væske‑solid‑TENG for å fange «blå energi» fra havbølger⁴, med fokus på å overvinne utfordringen med lav energiytelse. De gjorde dette ved å optimalisere plasseringen av den energisamlende elektroden.

Ved å bruke et 16‑tommers klart plast rør, laget de en TENG med en kobberfolie‑elektrode i den ene enden. Røret ble deretter fylt med vann til en fjerdedel av lengden før endene ble forseglet, med en ledning som koblet elektroden til en ekstern krets. Enheten ble deretter plassert på en benkeplate‑rocker, som beveget vannet inne frem og tilbake og genererte elektrisk strøm.

Dette optimaliserte designet økte energikonverteringen med 2,4 ganger og gjorde det mulig å blinke en rekke på 35 LED‑er.

I et annet eksperiment fra noen år siden laget forskere en tang‑lignende TENG⁵ for å demonstrere dens potensial til å redusere avhengigheten av batterier langs kystlinjen.

Det de gjorde var å belte 1,5‑tommers ved 3‑tommers strimler av to forskjellige polymerer med en ledende blekk, sette en liten svamp mellom dem for å skape en tynn luftspalte, og deretter forsegle hele enheten for å lage en TENG. Når enheten beveget seg opp og ned i vann, bøyde stripen seg frem og tilbake for å generere elektrisitet.

Luftspalten ble redusert da TENG-en ble nedsenket i vann ved trykk som finnes under vann i kystområder, men den genererte fortsatt en strøm ved 100 kPa. De brukte også et bølgetank for å demonstrere at flere TENG‑er kunne brukes som et lite undervannskraftverk, som leverte energi til 30 LED‑er eller en miniatyr blinkende fyrtårn‑LED‑beacon.

Swipe to scroll →

Bruk av vann, nanoporøs silisium og trykk for TENG‑energiinnhøsting

Nå har et europeisk forskerteam vendt seg mot en spesiell anvendelse av væske‑solid‑TENGs: Intrusjon‑Ekstrusjon Triboelektriske Nanogeneratorer (IE‑TENGs).

Dette systemet bruker ikke‑våtende væsker, dvs. vann og en polyetylinim‑løsning, samt nanoporøse silisium‑monolitter.

Ved å utnytte materialenes hydrofobe nanoporøse arkitektur, kan den generere elektrisitet gjennom kontrollert bevegelse av væske inn i og ut av begrensede rom, noe som forårsaker ladningsakkumulering og omfordeling, og resulterer i svingninger i strøm og spenning som kan utnyttes for energikonvertering.

En stor fordel med IE‑TENGs er at de kan overvinne en viktig begrensning ved tradisjonelle TENGs: det begrensede kontaktområdet mellom materialene. Bruken av nanoporøse materialer med overflatearealer fra hundre til tusen kvadratmeter per gram gjør at IE‑TENGs kan betydelig forbedre område‑spesifikk energitetthet og den samlede ytelsen til disse enhetene.

Nanoporøse silisium‑monolitter ble derimot brukt fordi de er grundig undersøkt innen medisinsk, optisk, elektronisk og mekanisk forskning. De ga forskerne flere store fordeler.

Dette inkluderer dopet, dvs. ledende, porøst silisium, som forbedrer ladningsoverføring og -innsamling under intrusjon‑ekstrusjons‑prosessen, og dermed øker den elektriske ytelses‑effektiviteten. Nanoporøse silisium‑monolitter kan også gjøres hydrofobe, noe som er essensielt for intrusjon‑ekstrusjons‑basert energigenerering.

Studien fant at porøse silisium‑monolitter er lovende kandidater for neste generasjons IE‑TENGs, og oppnådde en tre‑ordens‑størrelses‑økning i umiddelbar effekt‑tetthet og en to‑ordens‑størrelses‑økning i energi per intrusjon‑ekstrusjons‑syklus.

Den tror at gjennom fortsatte fremskritt kan IE‑TENGs som utnytter porøse ledende materialer tilby et levedyktig alternativ for «høy‑ytelses, selv‑bærekraftige energihøst‑systemer» i bærbar elektronikk og industrielle energigjenvinnings‑applikasjoner.

Den nye måten å konvertere mekanisk energi til elektrisitet, utviklet av et team av europeiske forskere, bruker vann fanget i silisium‑porer som arbeidsvæske.

I studien kalt “Triboelectrification during non-wetting liquids intrusion-extrusion in hydrophobic nanoporous silicon monoliths⁶“, demonstrerte de evnen til syklisk intrusjon og ekstrusjon av vann i vannavstøtende nanoporøse silisium‑monolitter for å produsere målbar elektrisk kraft.

Det nye systemet, IE‑TENG, er utviklet i et samarbeid mellom Hamburg University of Technology (TUHH) og DESY (det tyske elektron‑synkrotronen), University of Ferrara (Italia), CIC energiGUNE (Spania), Riga Technical University (Latvia) og University of Silesia i Katowice (Polen). Det bruker trykk for gjentatte ganger å tvinge vann inn i og ut av nanometer‑sized porer.

Under denne prosessen produseres en ladning ved grensesnittet mellom fast stoff og væske. Interessant nok er dette en type friksjons‑elektrisitet vi ofte ser i hverdagen, som å gå over et vannavstøtende PVC‑teppe med sko på.

Det er et ganske vanlig eksempel på statisk elektrisitet generert av triboelektrisk effekt. Et annet eksempel er å berøre et dørhåndtak og få et lite elektrisk støt. Det som skjer er at opphopning av elektrisk ladning på kroppen din raskt utlades gjennom en leder, som et metallhåndtak.

I tilfelle av det nyutviklede systemet har det oppnådd en energikonverterings‑effektivitet på opptil 9 %.

«Selv rent vann, når det er innelukket på nanoskalering, kan muliggjøre energikonvertering», sa professor Patrick Huber, talsperson for BlueMat: Water‑Driven Materials Excellence Cluster ved TUHH og DESY, som har som mål å utvikle en ny klasse av natur‑inspirerte, bærekraftige materialer som endrer egenskapene sine gjennom interaksjon med vann.

For bare noen måneder siden ble klyngen tildelt opptil €70 millioner i forskningsmidler, og sikret støtte frem til 2033.

Deres tilnærming til å høste triboelektrisk energi ved å bruke en monolitisk nanoporøs rammeverk gir en alternativ vei for å forbedre kontakt‑elektrifisering ved innelukkede fast‑væske‑grensesnitt.

I deres arbeid har forskerne generert elektrisitet i silisium‑porer kun gjennom friksjon forårsaket av trykk og vann.

«Kombinasjonen av nanoporøst silisium med vann muliggjør en effektiv, reproduserbar kraftkilde — uten eksotiske materialer, men kun ved å bruke den mest tilgjengelige halvlederen på jorden, silisium, og den mest tilgjengelige væsken, vann.»

– Dr. Luis Bartolomé, CIC energiGUNE

Designet av materialet her var nøkkelen, da de trengte noe som tillater overføring av elektrisitet, har porer i nanometerskala, og blir avstøtt av vann.

«Et avgjørende steg var utviklingen av presist konstruerte silisium‑strukturer som samtidig er ledende, nanoporøse og hydrofobe», da denne arkitekturen tillot dem å kontrollere bevegelsen av vann inne i porene, og dermed gjorde prosessen med energikonvertering både stabil og skalerbar, forklarte Dr. Manuel Brinker fra Hamburg University of Technology.

Forskerens bruk av monolitiske silisium‑strukturer, i stedet for pulver‑baserte IE‑TENGs som er avhengige av løse porøse partikler, muliggjorde mer effektiv og reproduserbar energihøsting. De oppnådde også betydelige forbedringer i umiddelbar effekt‑tetthet, som er den kraften som leveres på et gitt øyeblikk til et medium av en transient strøm, og energi per syklus.

Teamet identifiserte også pore‑størrelse og total pore‑volum som de to viktigste faktorene som styrer triboelektrisk ytelse, og understreket viktigheten av å optimalisere disse strukturelle egenskapene.

I tillegg fant analysen deres at høyere kompresjons‑rater forbedret elektrisk kraftgenerering, mens valget av væske‑medium betydelig forbedret triboelektrisk effektivitet. Bruken av en 0,1 % polyetylinim (PEI)‑løsning, spesielt, gjorde at teamet oppnådde den høyeste rapporterte energikonverterings‑effektiviteten (9 %) for solid‑væske‑TENGs.

Med disse funnene ønsker teamet å legge et solid grunnlag for videre optimalisering av solid‑væske‑triboelektrisk energihøsting. Fokus for fremtidig forskning, ifølge forskerne, bør være på væske‑valg, tilpasning av pore‑arkitekturer og overflate‑modifikasjoner av silisium‑monolitter.

Teknologien baner imidlertid vei for anvendelser i selvforsynte sensingsystemer, bærbar elektronikk og miljø‑energiinnhøsting.

I følge forskerne åpner den veien for «autonome, vedlikeholdsfrie sensorsystemer».

Så kan teknologien brukes til vann‑deteksjon og helsesporing i smarte klær. Den kan også brukes i haptisk robotikk, hvor bevegelse direkte genererer et elektrisk signal. Videre er teknologien godt egnet for anvendelser som krever høyt mekanisk trykk, som kjøretøys‑støtdempere.

«Vann‑drevne materialer markerer begynnelsen på en ny generasjon av selv‑bærekraftige teknologier», uttalte medforfattere professor Simone Meloni fra University of Ferrara og Dr. Yaroslav Grosu fra CIC energiGUNE.

Som vi nylig dekket, ble en slik «natur‑integrert» design‑tilnærming også brukt for å utvikle en ny vann‑integrert flytende DEG (W‑DEG) som utnytter vannets elektriske og strukturelle egenskaper. Bruken av «fri vann» som byggemateriale tillot W‑DEG å ha mye lavere vekt og materialkostnad og høy potensial for land‑frie anvendelser, samtidig som den viste enestående skalerbarhet og stor holdbarhet under varierende arbeidsforhold.

Investering i energihøstvoksende halvledere: Tilfellet TXN

Selv om disse spesifikke silisium‑monolittene for øyeblikket er i forskningsfasen, bør investorer som ønsker å kapitalisere på den underliggende trenden med lav‑strøm energistyring se mot det etablerte halvledermarkedet, hvor Texas Instruments Incorporated (TXN ) er en nøkkelspiller, som leverer lav‑strøm mikrokontrollere, kraft‑styrings‑IC‑er og analoge/blandet‑signal‑løsninger.

Det globale halvlederselskapet designer og produserer analoge og innebygde prosesserings‑chips for bilindustri, bedrifts‑systemer, personlig elektronikk, kommunikasjonsutstyr og industrielle applikasjoner.

Porteføljen er designet for å håndtere kraft‑behov på tvers av ulike spenningsnivåer, inkludert kraft‑brytere, AC/DC‑ og isolerte DC/DC‑bytteregulatorer, DC/DC‑bytteregulatorer, spenningsreferanser, batteri‑styrings‑løsninger og andre.

Texas Instruments har en solid finansiell posisjon. For Q3 2025 rapporterte selskapet en omsetning på 4,74 milliarder dollar, opp 7 % sekvensielt og 14 % år‑over‑år, med vekst på tvers av alle sluttmarkeder. Analoge inntekter økte med 16 % YoY, innebygd prosessering med 9 % og «andre» segmentet med 11 %.

På lønnsomhetssiden genererte TI 1,36 milliarder dollar i nettoinntekt og 1,48 dollar i utvannet resultat per aksje for kvartalet. I løpet av de siste 12 månedene var kontantstrøm fra driften 6,9 milliarder dollar, og fri kontantstrøm var 2,4 milliarder dollar, noe som understreker selskapets evne til å finansiere tung capex og aksjonærutbytte samtidig som de fortsatt investerer i FoU.

«Vår kontantstrøm fra driften på 6,9 milliarder dollar for de siste 12 månedene understreket igjen styrken i vår forretningsmodell, kvaliteten på vår produktportefølje, og fordelen med 300 mm‑produksjon.»

– CEO Haviv Ilan

I løpet av Q3 2025 betalte TI omtrent 1,2 milliarder dollar i utbytte og kjøpte tilbake omtrent 119 millioner dollar av egne aksjer, noe som bidro til 6,6 milliarder dollar returnert til aksjonærene de siste 12 månedene. I september kunngjorde selskapet en 4 % økning i utbytte til 1,42 dollar per aksje, noe som markerer 22 påfølgende år med utbyttevekst.

Per slutten av november 2025 handles TXN rundt midt‑$160, omtrent 25–30 % under sitt 52‑ukers høydepunkt på $221,69 nådd i juli 2025. Selv om aksjen har trukket seg tilbake fra disse toppene og levert negative avkastninger det siste året, fortsetter kombinasjonen av økende analoge salg, en utbytteavkastning på over 3 % og langsiktige tilbakekjøp å tiltrekke inntekts‑orienterte investorer.

Siste nyheter om Texas Instruments Incorporated (TXN) aksjer

Konklusjon: Hvor TENGs passer inn i fremtidens ren energi

I verden av energihøsting tilbyr TENGs en lav‑kost, effektiv og bærekraftig måte å konvertere mekanisk energi til elektrisitet. Ved å omdanne ikke bare daglige mekaniske interaksjoner, men også væskestrøm og trykk‑fluktuasjoner til brukbar elektrisitet, lover disse teknologiene fleksible wearables, selvforsynte sensorer, marine miljø‑energisystemer og mer.

Selv om den virkelige adopsjonen av TENGs for øyeblikket er begrenset, kan kontinuerlig forskning for å finjustere materialarkitekturer, forbedre effektivitet og integrere TENGs med eksisterende kraftsystemer gjøre disse enhetene levedyktige for bredere kommersiell utrulling.

Klikk her for en liste over selskaper som leder utviklingen av nanoteknologi.

Referanser

1. Jang, M.-H.; Rabbitte, S. P.; Frendi, A.; Conners, R. T.; Lei, Y.; Wang, G. “Bred båndbredde høy‑effekt triboelektrisk energihøsting med 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. “Granulære grensesnitt i TENGs: Rollen til tettpakkede polymerperle‑monolag for energihøster.” Small 21, no. 9 (2025): Article 2410155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155
3. Wang, Z. L. “Fremtiden for TENGs med 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. “Rom‑volum‑effekt i rør væske‑solid triboelektrisk nanogenerator for forbedring av ytelsesoutput.” 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. “Fleksibel tang‑lignende triboelektrisk nanogenerator som bølge‑energiinnsamler som driver marint 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. “Triboelektrifisering under ikke‑våtende væskers intrusjon‑ekstrusjon i hydrofobe nanoporøse silisium‑monolitter.” Nano Energy 146 (2025): Article 111488. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111488