Vattendrivna triboelektriska nanogeneratorer förklarade

Drivet av behovet av större energisäkerhet, kostnadsbesparingar och miljömässiga hänsyn har efterfrågan på hållbara energilösningar ökat avsevärt.

Detta har lett forskare till att utveckla energihöstartekniker som omvandlar omgivande mekanisk energi till elektrisk kraft. Dessa tekniker har potential att spela en avgörande roll i tillämpningar som kraftgenerering, transport och elektronik.

Bland dessa tekniker har triboelektriska nanogeneratorer (TENGs) framträtt som ett lovande sätt att utnyttja mekanisk energi från vår omgivning, såsom rörelse och vibrationer.

Som ett resultat utforskar många forskare nya material, designer och mekanismer för att förbättra energiproduktion, hållbarhet och skalbarhet för verklig användning.

Tidigare i år demonstrerade forskare från University of Alabama användningen av dessa enheter för att generera elektricitet. Nyckeln var att använda billig, köpt, robust tejp tillsammans med plast och aluminium istället för dyra, specialtillverkade material som vanligtvis används för TENGs.

Denna förbättrade version av TENG¹ utnyttjar interaktionen mellan den tryckkänsliga akryladhesiva lagret på tejpen och dess polypropenbakgrund för att generera upp till 53 milliwatt effekt. TENG placerades på en vibrerande platta, som upprepade gånger för de två lagren i kontakt innan de separeras, vilket genererar elektricitet.

Förutom att skapa tillräckligt med kraft för att lysa över 350 LED-lampor och en laserpekare, integrerades enheten även i en akustisk sensor och en självförsörjande bärbar enhet.

I en annan studie genererade ett internationellt forskarteam elektricitet med hjälp av små plastpärlor² placerade nära varandra på en yta, som sedan fördes i kontakt med en annan yta som innehöll samma pärlor, vilket producerade mer elektricitet än vanligt.

Storleken och materialet på pärlorna visade sig vara av betydelse, där huvudförfattaren, Dr. Ignaas Jimidar från VUB, noterade: “Små förändringar i materialval kan leda till betydande förbättringar i energigenereringseffektivitet”, vilket skapar nya möjligheter för TENGs i vardagslivet utan beroende av traditionella energikällor.

Dessa fynd och framsteg visar att forskare banar vägen för transformerande tillämpningar av TENG-teknik.

Enligt Zhong Lin Wang, som först demonstrerade en fungerande TENG, kan triboelektriska nanogeneratorer vara avgörande i strävan mot energidemokratisering.

“Genom att utnyttja vardagliga fysiska handlingar möjliggör de att elektronik blir självförsörjande, vilket eliminerar behovet av centrala elnät. Denna ‘ambient energiskörd’ ligger i linje med flera globala trender, såsom hållbarhet, personlig hälsovård och Internet of Things,” sade Wang i en intervju.³ “TENGs är redan livskraftiga för låg effekt, distribuerad sensning, men deras verkliga disruption ligger i framtida storskalig energiskörd och människa‑maskin‑synergi.”

Hur triboelektriska nanogeneratorer (TENGs) omvandlar rörelse till elektricitet

Allteftersom forskningen kring triboelektriska nanogeneratorer accelererar har de senaste framstegen breddat vad dessa enheter kan skörda, från subtila vibrationer och kroppsrörelser till miljökrafter som vind, droppar och vätskeström.

Hur fungerar egentligen dessa triboelektriska nanogeneratorer (TENGs)? Jo, de omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi genom kontakt‑elektrifiering och elektrostatisk induktion.

Kontakt‑elektrifiering innebär överföring av laddning som sker när två ytor kommer i kontakt, där den ena blir positivt laddad och den andra negativt laddad. Elektrostatisk induktion, eller elektrostatisk påverkan, är däremot en omfördelning av elektrisk laddning utan direkt kontakt.

Det som är fantastiskt med TENGs är deras höga omedelbara effekt‑densitet, breda materialkompatibilitet och skalbarhet. Med tillämpningar som spänner över kraftkällor, blå energi och självförsörjande sensorer har dessa enheter framgångsrikt integrerats i bärbar elektronik, självförsörjande sensorer och storskaliga energinät.

Men naturligtvis finns det fortfarande utmaningar när det gäller integration med befintliga kraftsystem, långsiktig stabilitet samt laddnings‑ och omvandlingseffektivitet.

Det finns faktiskt olika TENG‑strategier för att skörda, utnyttja och omvandla oanvänd eller bortkastad energi på ett effektivt sätt. En lovande strategi är den solid‑vätske‑TENG, som till skillnad från traditionella solid‑solid‑TENGs erbjuder en enkel, kostnadseffektiv design, förbättrad laddnings‑överföringseffektivitet, självläkande egenskaper, långsiktig hållbarhet och anpassningsförmåga till dynamiska miljöer.

Forskning har också visat att modifiering av material och/eller vätskor, såsom hydrofoba ytor eller joniska lösningar, kan öka triboelektrisk uteffekt och öppna nya vägar för energiskörd i vatten‑ och biomedicinska miljöer.

Tidigare i år demonstrerade ett forskarlag användningen av en solid‑vätske‑TENG för att fånga ‘blå energi’ från havsvågor⁴, med fokus på att övervinna den låga uteffekten. De gjorde detta genom att optimera placeringen av den energiskörande elektroden.

Genom att använda ett 16‑tum klart plaströr skapade de en TENG med en kopparfolie‑elektrod i ena änden. Röret fylldes sedan med vatten till en fjärdedel av dess längd innan ändarna förseglades, med en tråd som kopplade elektroden till en extern krets. Enheten placerades sedan på ett bänkrocker‑bord, som rörde vattnet fram och tillbaka och genererade elektriska strömmar.

Denna optimerade design ökade energikonverteringen med 2,4‑fald och möjliggjorde blinkning av en matris med 35 LED‑lampor.

I ett annat experiment för några år sedan skapade forskare en alg‑liknande TENG⁵ för att demonstrera dess potential att minska beroendet av batterier längs kusten.

Det de gjorde var att belägga 1,5‑tum × 3‑tum‑remsor av två olika polymerer med en ledande bläck, placera en liten svamp mellan dem för att skapa ett tunt luftgap, och sedan försegla hela enheten för att skapa en TENG. När enheten rörde sig upp och ner i vatten böjde remsan fram och tillbaka och genererade elektricitet.

Luftgapet minskade när TENG var nedsänkt i vatten vid tryck som finns under vatten i kustzoner, men den genererade fortfarande en ström vid 100 kPa. De använde också en vågtank för att visa att flera TENGs kunde användas som ett mini‑undervattenskraftverk, som levererade energi till 30 LED‑lampor eller en miniatyrblinkande fyr‑LED‑signal.

Swipe to scroll →

Användning av vatten, nanoporerad kisel och tryck för TENG‑energi‑skörd

Now, a European team of researchers has turned to a particular application of liquid-solid TENGs: the Intrusion-Extrusion Triboelectric Nanogenerators (IE-TENGs).

Detta system utnyttjar icke‑vattnande vätskor, dvs. vatten och en polyetylenimin‑lösning, samt nanoporerade kiselmonoliter.

Genom att utnyttja materialens hydrofoba nanoporerade arkitektur kan den generera elektricitet genom kontrollerad rörelse av vätska in i och ut ur begränsade utrymmen, vilket orsakar laddningsackumulering och omfördelning, vilket resulterar i fluktuationer i ström och spänning som kan utnyttjas för energikonvertering.

En stor fördel med IE‑TENGs är att de kan övervinna en nyckelbegränsning hos traditionella TENGs: det begränsade kontaktområdet mellan materialen. Användningen av nanoporerade material med ytor på hundratals till tusentals kvadratmeter per gram möjliggör för IE‑TENGs att avsevärt förbättra den områdesspecifika energitätheten och den övergripande prestandan hos dessa enheter.

Nanoporerade kiselmonoliter användes samtidigt eftersom de har studerats brett inom medicin, optik, elektronik och mekanik. De gav forskarna flera viktiga fördelar.

Detta inkluderar dopad, dvs. ledande, porös kisel, vilket förbättrar laddningsöverföring och -insamling under intrusions‑extrusionsprocessen, och därmed förbättrar den elektriska uteffektiviteten. Nanoporerade kiselmonoliter kan också göras hydrofoba, vilket är avgörande för intrusions‑extrusionsbaserad energigenerering.

Studien fann att porösa kiselmonoliter är lovande kandidater för nästa generations IE‑TENGs, med en tre‑orders‑av‑magnitude ökning i omedelbar effekt‑densitet och en två‑orders‑av‑magnitude ökning i energi per intrusions‑extrusionscykel.

Den tror att genom fortsatta framsteg kan IE‑TENGs som utnyttjar porösa ledande material erbjuda ett livskraftigt alternativ för ”högeffektiv, självförsörjande energiskördsystem” i bärbar elektronik och industriella energåtervinningsapplikationer.

Det nya sättet att omvandla mekanisk energi till elektricitet, utvecklat av ett europeiskt forskarlag, använder vatten som fångas i kiselnas porer som arbetsfluid.

I studien med titeln “Triboelectrification during non-wetting liquids intrusion‑extrusion in hydrophobic nanoporous silicon monoliths⁶” demonstrerade de förmågan hos cyklisk intrång och extrusion av vatten i vattenresistent nanoporerad kiselmonolit att producera kvantifierbar elektrisk kraft.

Det nya systemet, IE‑TENG, utvecklades i ett samarbetsprojekt mellan Hamburg University of Technology (TUHH) och DESY (the German Electron Synchrotron), University of Ferrara (Italien), CIC energiGUNE (Spanien), Riga Technical University (Lettland) och University of Silesia i Katowice (Polen). Det använder tryck för att upprepade gånger tvinga vatten in i och ut ur nanometer‑sized porer.

Under denna process produceras en laddning vid gränssnittet mellan fast och vätska. Intressant nog är detta en typ av friktions‑elektricitet som vi ofta ser i vardagen, som att gå på en vattenresistent PVC‑matta med skor på.

Det är ett ganska vanligt exempel på statisk elektricitet som genereras av triboelektrisk effekt. Ett annat exempel är att röra vid ett dörrhandtag och få en liten elektrisk stöt. Vad som händer är att den uppbyggda elektriska laddningen på din kropp snabbt urladdas genom en ledare, som ett metallhandtag.

I fallet med det nyutvecklade systemet har de uppnått en energikonverterings‑effektivitet på upp till 9 %.

“Till och med rent vatten, när det är inneslutet på nanoskalig nivå, kan möjliggöra energikonvertering,” sade professor Patrick Huber, talesperson för BlueMat: Water‑Driven Materials Excellence Cluster vid TUHH och DESY, vars mål är att utveckla en ny klass av natur‑inspirerade, hållbara material som förändrar sina egenskaper genom interaktion med vatten.

För bara några månader sedan tilldelades klustret upp till €70 miljoner i forskningsfinansiering, vilket säkrar stöd fram till 2033.

Deras tillvägagångssätt för att skörda triboelektrisk energi genom att utnyttja en monolitisk nanoporerad ram erbjuder en alternativ väg för att förbättra kontakt‑elektrifiering vid begränsade fast‑vätske‑gränssnitt.

I deras arbete har forskarna genererat elektricitet i kiselnas porer enbart genom friktion orsakad av tryck och vatten.

“Kombinationen av nanoporerad kisel med vatten möjliggör en effektiv, reproducerbar kraftkälla — utan exotiska material, men bara genom att använda den mest abundanta halvledaren på jorden, kisel, och den mest abundanta vätskan, vatten.”

– Dr. Luis Bartolomé, CIC energiGUNE

Materialdesignen här var nyckeln, eftersom de behövde något som tillåter överföring av elektricitet, har nanoporer i nanometerskala och avvisas av vatten.

“Ett avgörande steg var utvecklingen av exakt konstruerade kiselstrukturer som samtidigt är ledande, nanoporerade och hydrofoba,” förklarade Dr. Manuel Brinker från Hamburg University of Technology, “eftersom denna arkitektur gjorde det möjligt att kontrollera vattnets rörelse i porerna, vilket gjorde energikonverteringsprocessen både stabil och skalbar.”

Forskarnas användning av monolitiska kiselstrukturer, snarare än pulverbaserade IE‑TENGs som förlitar sig på lösa porösa partiklar, möjliggjorde mer effektiv och reproducerbar energiskörd. De uppnådde också betydande förbättringar i omedelbar effekt‑densitet, vilket är den effekt som levereras vid ett specifikt ögonblick till ett medium av en transient ström, samt energi per cykel.

Teamet identifierade också porstorlek och total porvolym som de två primära faktorerna som styr triboelektrisk prestanda, vilket understryker vikten av att optimera dessa strukturella egenskaper.

Vidare fann deras analys att högre komprimeringshastigheter förbättrade den elektriska kraftgenereringen, medan valet av vätskemedium avsevärt förbättrade triboelektrisk effektivitet. Användningen av en 0,1 % polyetylenimin (PEI)‑lösning möjliggjorde särskilt för teamet att uppnå den högsta rapporterade energikonverterings‑effektiviteten (9 %) för solid‑vätske‑TENGs.

Med dessa fynd siktar teamet på att lägga en stark grund för vidare optimering av solid‑vätske‑triboelektrisk energiskörd. Framtida forskning bör enligt forskarna fokusera på vätskeselektion, anpassning av porarkitekturer och ytmodyfikering av kiselmonoliter.

Teknologin banar samtidigt vägen för tillämpningar i självförsörjande sensningssystem, bärbar elektronik och miljömässig energiskörd.

Enligt forskarna öppnar den vägen för “autonoma, underhållsfria sensorsystem”.

Så kan tekniken tillämpas för vatten‑detektering och hälsomätning i smarta plagg. Den kan också användas i haptisk robotik, där rörelse direkt genererar en elektrisk signal. Dessutom är tekniken väl lämpad för tillämpningar som kräver högt mekaniskt tryck, såsom fordonsskjutsar.

“Vatten‑drivna material markerar början på en ny generation av självförsörjande teknologier,” konstaterade medförfattarna professor Simone Meloni från University of Ferrara och Dr. Yaroslav Grosu från CIC energiGUNE.

Som vi nyligen rapporterade, har ett liknande “natur‑integrerat” designförhållningssätt också använts för att utveckla en ny vatten‑integrerad flytande DEG (W‑DEG) som utnyttjar vattnets elektriska och strukturella egenskaper. Användningen av “fritt vatten” som byggmaterial gjorde att W‑DEG kunde ha mycket lägre vikt och materialkostnad samt hög potential för land‑fria tillämpningar, samtidigt som den visade enastående skalbarhet och stor hållbarhet under varierande arbetsförhållanden.

Investering i energiskörande halvledare: Fallet TXN

While these specific silicon monoliths are currently in the research phase, investors looking to capitalize on the underlying trend of low-power energy management should look toward the established semiconductor market, where Texas Instruments Incorporated (TXN ) is a key player, supplying low-power microcontrollers, power-management ICs, and analog/mixed-signal solutions.

Det globala halvledarföretaget designar och tillverkar analoga och inbäddade processorkretsar för fordonsindustrin, företagsystem, personliga elektronikprodukter, kommunikationsutrustning och industriella applikationer.

Deras portfölj är utformad för att hantera effektbehov över olika spänningsnivåer, inklusive effektbrytare, AC/DC‑ och isolerade DC/DC‑switching‑regulatorer, DC/DC‑switching‑regulatorer, spänningsreferenser, batterihanteringslösningar och annat.

Texas Instruments har en sund finansiell position. För Q3 2025 rapporterade företaget en omsättning på 4,74 miljarder USD, upp 7 % sekventiellt och 14 % år‑över‑år, med tillväxt i alla slutmarknader. Analoga intäkter ökade med 16 % YoY, inbäddad processering med 9 % och “övriga” segmentet med 11 %.

På lönsamhetssidan genererade TI 1,36 miljarder USD i nettoresultat och 1,48 USD i utspädd vinst per aktie för kvartalet. Under de senaste 12 månaderna uppgick kassaflöde från verksamheten till 6,9 miljarder USD, och fritt kassaflöde till 2,4 miljarder USD, vilket understryker företagets förmåga att finansiera tungt capex och aktieägarutdelningar samtidigt som de fortsatt investerar i FoU.

“Vårt kassaflöde från verksamheten på 6,9 miljarder USD för de senaste 12 månaderna understryker återigen styrkan i vår affärsmodell, kvaliteten i vår produktportfölj och fördelen med 300 mm produktion.”

– VD Haviv Ilan

Under Q3 2025 betalade TI cirka 1,2 miljarder USD i utdelningar och återköpte ungefär 119 miljoner USD av sina egna aktier, vilket bidrog till 6,6 miljarder USD som återfördes till aktieägarna under de senaste 12 månaderna. I september meddelade företaget en 4 % utdelningsökning till 1,42 USD per aktie, vilket markerar 22 på varandra följande år av utdelningstillväxt.

Från och med slutet av november 2025 handlas TXN runt mitten av 160‑dollar‑intervallet, ungefär 25–30 % under sitt 52‑veckors högsta på 221,69 USD som nåddes i juli 2025. Även om aktien har dragits tillbaka från dessa toppar och levererat negativa avkastningar under det senaste året, fortsätter kombinationen av ökande analoga försäljningar, en utdelningsavkastning på över 3 % och långsiktiga återköp att attrahera inkomst‑orienterade investerare.

Senaste nyheter om Texas Instruments Incorporated (TXN) aktie

Slutsats: Var TENGs passar in i framtidens rena energi

In the world of energy harvesting, TENGs offer a low-cost, efficient, and sustainable way to convert mechanical energy into electricity. By transforming not just everyday mechanical interactions but also fluid flow and pressure fluctuations into usable electricity, these technologies promise flexible wearables, self-powered sensors, marine-environment energy systems, and more.

While the real-world adoption of TENGs is currently limited, through continued research to refine material architectures, improve efficiency, and integrate TENGs with existing power systems, these devices can finally become viable for broader commercial deployment.

Klicka här för en lista över företag som leder utvecklingen av nanoteknologi.

Referenser

1. Jang, M.-H.; Rabbitte, S. P.; Frendi, A.; Conners, R. T.; Lei, Y.; Wang, G. “Wide Bandwidth High-Power Triboelectric Energy Harvesting by 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. “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
4. Zhang, H.; Dai, G.; Luo, Y.; Zheng, T. “Space Volume Effect in Tube Liquid–Solid Triboelectric Nanogenerator for Output Performance Enhancement.” 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. “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