纳米技术
水驱动摩擦纳米发电机原理详解
Securities.io 秉持严格的编辑标准，并可能通过审核链接获得报酬。我们并非注册投资顾问，本文亦不构成投资建议。请查看我们的 会员披露.
出于对能源安全、成本节约和环境问题的日益关注，对可持续能源解决方案的需求大幅增长。
这促使研究人员开发出能够将环境机械能转化为电能的能量收集技术。这些技术有望在发电、交通运输和电子等领域发挥关键作用。
在这些技术中，摩擦纳米发电机（TENG）已成为利用周围环境（如运动和振动）机械能的一种很有前景的手段。
因此，许多研究人员正在探索新的材料、设计和机制，以提高能源输出、耐久性和可扩展性，从而满足实际应用的需求。
今年早些时候，阿拉巴马大学的研究人员展示了利用这些装置发电的方法。关键在于使用了价格低廉、市售的耐用胶带以及塑料和铝，而不是通常用于摩擦纳米发电机的昂贵特制材料。
本篇 改进型TENG1 该摩擦纳米发电机利用胶带压敏丙烯酸粘合层与其聚丙烯背衬之间的相互作用，可产生高达 53 毫瓦的功率。将摩擦纳米发电机放置在振动板上，振动板使两层材料反复接触和分离，从而产生电流。
除了能产生足够的电力点亮 350 多个 LED 灯和一个激光指示器外，该设备还集成到声学传感器和自供电可穿戴设备中。
在另一项研究中，一个国际研究团队 利用微小的塑料珠发电2 将多个珠子紧密地放置在一个表面上，然后使它们与另一个含有相同珠子的表面接触，即可产生比平时更多的电流。
研究发现，珠子的尺寸和材料在这里非常重要。VUB 的主要作者 Ignaas Jimidar 博士指出，“材料选择的微小变化可以显著提高能量产生效率”，这为 TENG 在日常生活中的应用创造了新的可能性，而无需依赖传统的能源。
这些发现和进展表明，研究人员正在为 TENG 技术的变革性应用铺平道路。
据第一个演示了可工作的摩擦纳米发电机的王忠林（音译）称，摩擦纳米发电机在推动能源民主化方面可能发挥关键作用。
王表示：“通过利用日常的物理行为，他们使电子设备能够自供电，从而无需依赖集中式电网。这种‘环境能量收集’与可持续发展、个性化医疗和物联网等诸多全球趋势高度契合。” 接受记者采访.3 “TENG（摩擦纳米发电机）已经可以用于低功耗、分布式传感，但它们真正的颠覆性意义在于未来的大规模能量收集和人机协同作用。”
TL博士
- 摩擦纳米发电机（TENG）利用接触起电将日常运动、振动、流体流动和压力转化为电能。
- 新型液固设计，包括基于管状的“蓝色能量”收集器和类似海藻的装置，在保持低成本和灵活性的同时提高了产量。
- 欧洲研究人员现在已经证明，限制在疏水性纳米多孔硅中的水可以达到高达 9% 的固液转换效率。
- 这些进步预示着自供电传感器、可穿戴设备、海洋能源系统和压力驱动式能量采集器将减少对电池和电网的依赖。
摩擦纳米发电机（TENG）如何将运动转化为电能
随着摩擦纳米发电机的研究不断加速，最近的进展扩大了这些设备可以收集能量的范围，从细微的振动和身体运动到风、液滴和流体流动等环境力。
那么，这些究竟是如何做到的呢？ 摩擦纳米发电机 摩擦纳米发电机（TENG）的工作原理是什么？嗯，它们通过接触起电和静电感应将机械能转化为电能。
接触起电是指两个表面接触时发生的电荷转移，其中一个表面带正电，另一个表面带负电。而静电感应或静电影响则是指无需直接接触即可发生的电荷重新分布。
摩擦纳米发电机的优势在于其瞬时功率密度高、材料兼容性广且易于扩展。凭借其在电源、蓝色能源和自供电传感器等领域的应用，这些器件已成功集成到可穿戴电子设备、自供电传感器和大型能源网络中。
当然，在与现有电力系统的集成、长期稳定性以及电荷传输和转换效率方面仍然存在挑战。
实际上，目前存在多种不同的摩擦纳米发电机（TENG）策略，用于有效地收集、利用和转化未使用的或浪费的能量。其中一种很有前景的策略是固液型TENG。与传统的固固型TENG不同，固液型TENG具有设计简单、成本低廉、电荷转移效率更高、具备自愈能力、使用寿命更长以及能够适应动态环境等优点。
研究还表明，改变材料和/或液体，例如疏水表面或离子溶液，可以增加摩擦电输出，并为水性和生物医学环境中的能量收集开辟新的途径。
今年早些时候，一个研究团队展示了液固摩擦纳米发电机的应用。 从海浪中捕获“蓝色能源”4他们着重解决能量输出低的问题。他们通过优化能量收集电极的位置实现了这一目标。
他们使用一根16英寸长的透明塑料管，在一端连接铜箔电极，制作了一个摩擦纳米发电机（TENG）。随后，他们将管内注水至管长的四分之一处，并将两端密封，用导线将电极连接到外部电路。之后，他们将装置放置在台式摇床上，摇床带动管内水来回运动，从而产生电流。
这种优化设计使能量转换效率提高了 2.4 倍，并实现了 35 个 LED 灯的闪烁。
在几年前的另一项实验中，研究人员创造了一个 类似海藻的TENG5 以证明其在减少沿海地区对电池的依赖方面的潜力。
他们的做法是，将两种不同的聚合物制成1.5英寸×3英寸的条状，并在条状材料之间塞入一块小海绵以形成一个薄薄的空气间隙，然后将整个装置密封起来，制成摩擦纳米发电机（TENG）。当该装置在水中上下移动时，条状材料会来回弯曲，从而产生电流。
当摩擦纳米发电机（TENG）浸入沿海地区水下压力下的水中时，其气隙减小，但仍能在100千帕的压力下产生电流。他们还利用波浪水槽展示了多个TENG可以组成一个小型水下发电站，为30个LED灯或一个微型闪烁灯塔LED灯供电。
滑动滚动→
| 腾设计 | 工作介质 | 关键结构 | 报告输出/亮点 | 潜在应用 |
|---|---|---|---|---|
| Scotch-tape TENG（阿拉巴马大学） | 实心-实心（胶带层） | 振动板上的高强度单面胶带，带有塑料和铝层 | 功率高达 53 毫瓦，足以驱动 350 多个 LED 灯和一个激光指示器。 | 可穿戴生物传感器、声学传感器、低成本自供电设备 |
| 聚合物珠粒状摩擦纳米发电机 | 实心-实心（紧密排列的塑料珠） | 在相对表面上的单层聚合物珠，反复接触 | 通过优化珠粒尺寸和材料选择来提高电荷产生效率 | 日常运动采集器、低功耗物联网传感器 |
| 管式液固摩擦纳米发电机（“蓝色能源”） | 塑料管中的水 | 16英寸透明管，带铜电极；水在摇杆上晃动 | 优化电极位置，输出功率提升2.4倍，并驱动35个LED灯。 | 波浪驱动的“蓝色能源”、海洋传感、便携式电源 |
| 海藻状柔性摩擦纳米发电机 | 流动水中的聚合物条带 | 涂层聚合物“叶片”，带有薄空气间隙和海绵垫片 | 产生的电量足以点亮30个LED灯或一个微型灯塔。 | 沿海发电站、海洋物联网、无电池信标 |
| 采用纳米多孔硅整体材料的IE-TENG | 疏水性纳米孔中的水或聚乙烯亚胺溶液 | 导电、纳米多孔、疏水的硅块，具有巨大的内表面积 | 固液能量转换效率最高可达9%，功率密度提高几个数量级。 | 可穿戴电子设备、压力驱动式能量采集器、自供电工业传感器 |
利用水、纳米多孔硅和压力进行摩擦纳米发电机能量收集
现在，一个欧洲研究团队转向了液固摩擦纳米发电机的一个特殊应用：侵入式挤压摩擦纳米发电机（IE-TENG）。
该系统利用非润湿液体，即水和聚乙烯亚胺溶液，以及纳米多孔硅整体材料。
利用材料的疏水性纳米多孔结构，可以通过控制液体进出受限空间的运动来发电，这会导致电荷积累和重新分布，从而产生电流和电压的波动，而这些波动可以用于能量转换。
IE-TENG 的一个主要优势在于，它们能够克服传统 TENG 的一个关键限制：材料间接触面积有限。使用表面积可达每克数百至数千平方米的纳米多孔材料，使得 IE-TENG 能够显著提高器件的单位面积能量密度和整体性能。
同时，由于纳米多孔硅整体材料在医学、光学、电子和机械领域已被广泛研究，因此也被采用。它们为研究人员提供了诸多优势。
这包括掺杂的（即导电的）多孔硅，它能增强压入-挤出过程中的电荷转移和收集，从而提高电输出效率。纳米多孔硅整体材料还可以转化为疏水表面，这对于基于压入-挤出的能量产生至关重要。
该研究发现多孔硅单体有望成为下一代 IE-TENG 的候选材料，其瞬时功率密度提高了三个数量级，每次侵入-挤出循环的能量提高了两个数量级。
该公司认为，通过不断进步，利用多孔导电材料的IE-TENG可以为可穿戴电子产品和工业能源回收应用中的“高性能、自持式能量收集系统”提供可行的替代方案。
欧洲科学家团队开发了一种将机械能转化为电能的新方法，该方法利用困在硅孔隙中的水作为工作流体。
在名为“非润湿液体在疏水性纳米多孔硅整体材料中侵入-挤出过程中的摩擦起电现象6他们证明了水在耐水纳米多孔硅整体材料中循环侵入和挤出能够产生可量化的电能。
这套名为IE-TENG的新系统由汉堡工业大学（TUHH）、德国电子同步加速器中心（DESY）、意大利费拉拉大学、西班牙CIC energiGUNE、拉脱维亚里加理工大学以及波兰卡托维兹西里西亚大学合作开发。它利用压力反复地将水压入和压出纳米级孔隙。
在此过程中，固液界面会产生电荷。有趣的是，这是一种我们在日常生活中经常看到的摩擦起电现象，例如穿着鞋子走过防水PVC地毯时产生的静电。
这是摩擦起电效应产生静电的一个很常见的例子。另一个例子是触摸门把手时会感到轻微的电击。这是因为人体上积累的电荷会通过导体（例如金属把手）迅速释放。
对于新开发的系统，其能量转换效率已达到 9%。
“即使是纯水，当被限制在纳米尺度时，也能实现能量转换，” TUHH 和 DESY 的 BlueMat：水驱动材料卓越集群的发言人 Patrick Huber 教授说道。该集群的目标是开发一类受自然启发的新型可持续材料，这些材料可以通过与水的相互作用改变其性质。
就在几个月前，集群还 获赔金额高达70万欧元 在研究经费方面，确保获得支持直至 2033 年。
他们利用整体式纳米多孔框架收集摩擦电能的方法，为增强受限固液界面处的接触带电提供了一种替代途径。
研究人员通过压力和水的摩擦，在硅孔中产生了电能。
“将纳米多孔硅与水结合，可以制成高效、可重复使用的电源——无需特殊材料，只需利用地球上储量最丰富的半导体硅和储量最丰富的液体水即可。”
– Luis Bartolomé 博士，CIC energiGUNE
该材料的设计是关键，因为他们需要一种能够导电、具有纳米级孔隙且防水的材料。
“关键的一步是开发出精确设计的硅结构，这种结构同时具有导电性、纳米多孔性和疏水性，”汉堡工业大学的曼努埃尔·布林克博士解释说，因为这种结构使他们能够控制孔隙内水的运动，从而使能量转换过程稳定且可扩展。
研究人员采用单片硅结构而非依赖松散多孔颗粒的粉末基IE-TENG，实现了更高效、更可重复的能量收集。他们还显著提高了瞬时功率密度（即瞬态电流在特定时刻传递给介质的功率）和每个周期的能量。
该团队还确定了孔径和总孔体积是影响摩擦电性能的两个主要因素，强调了优化这些结构特性的重要性。
此外，他们的分析发现，更高的压缩率可以提高发电量，而液体介质的选择则显著提高了摩擦电效率。特别是使用0.1%的聚乙烯亚胺（PEI）溶液，使该团队实现了目前报道的固液摩擦纳米发电机的最高能量转换效率（9%）。
基于这些发现，该团队旨在为进一步优化固液摩擦电能量收集奠定坚实的基础。研究人员表示，未来的研究重点应放在液体选择、孔隙结构调控以及硅单体表面改性等方面。
与此同时，这项技术为自供电传感系统、可穿戴电子产品和环境能量收集等领域的应用铺平了道路。
科学家们表示，这为“自主、免维护的传感器系统”开辟了道路。
因此，这项技术可应用于智能服装中的水分检测和健康监测。它还可以用于触觉机器人，通过运动直接产生电信号。此外，该技术也非常适合需要高机械压力的应用，例如车辆减震器。
“水驱动材料标志着新一代自持技术的开端，”费拉拉大学的西蒙·梅洛尼教授和 CIC energiGUNE 的雅罗斯拉夫·格罗苏博士（论文共同作者）表示。
正如我们近期报道，这种“自然融合”的设计方法也被用于开发一种新型的水集成式漂浮式分布式发电装置（W-DEG），该装置充分利用了水的电学和结构特性。使用“自由水”作为构建材料，使得W-DEG的重量和材料成本大幅降低，并具有很高的无陆地应用潜力，同时在各种工作条件下都展现出出色的可扩展性和耐久性。
投资能量收集半导体：以TXN为例
虽然这些特定的硅单片芯片目前仍处于研究阶段，但希望从低功耗能源管理这一潜在趋势中获利的投资者应该关注成熟的半导体市场。 德州仪器公司 (TXN +2.21% ) 是一家关键企业，提供低功耗微控制器、电源管理集成电路和模拟/混合信号解决方案。
这家全球半导体公司设计和制造用于汽车、企业系统、个人电子产品、通信设备和工业应用的模拟和嵌入式处理芯片。
其产品组合旨在管理不同电压等级的电源需求，包括电源开关、AC/DC 和隔离式 DC/DC 开关稳压器、DC/DC 开关稳压器、电压基准、电池管理解决方案等。
德州仪器财务状况稳健。2025年第三季度，公司营收达4.74亿美元，环比增长7%，同比增长14%，所有终端市场均实现增长。模拟电路业务营收同比增长16%，嵌入式处理业务同比增长9%，其他业务同比增长11%。
德州仪器公司 (TXN +2.21% )
在盈利方面，德州仪器（TI）本季度实现净利润1.36亿美元，稀释后每股收益1.48美元。过去12个月，公司经营活动产生的现金流总计6.9亿美元，自由现金流为2.4亿美元，这凸显了公司在进行大规模资本支出和股东回报的同时，仍能持续投资研发的能力。
“过去 12 个月，我们的经营活动现金流达到 6.9 亿美元，再次凸显了我们商业模式的优势、产品组合的质量以及 300 毫米生产的优势。”
首席执行官哈维夫·伊兰
2025年第三季度，德州仪器(TI)支付了约1.2亿美元的股息，并回购了约119亿美元的股票，过去12个月累计向股东返还了6.6亿美元。3月份，该公司宣布将股息提高4%至每股1.42美元，实现了连续22年的股息增长。
截至2025年11月底，TXN股价在160美元左右徘徊，比其在2025年7月创下的52周高点221.69美元低约25%至30%。尽管该股已从高位回落，并在过去一年中出现负收益，但模拟产品销售额的增长、3%以上的股息收益率以及长期股票回购计划仍然吸引着以收益为导向的投资者。
德州仪器公司 (TXN) 最新股票新闻
巴尔的摩华盛顿金融顾问公司减持德州仪器公司（股票代码：TXN）股票
defenseworld.net
•
2025 年 11 月 27 日
德州仪器公司 (TXN) 正在吸引投资者的关注：以下是您应该了解的内容
zacks.com
•
2025 年 11 月 26 日
ADI vs. TXN：哪支半导体股票目前更具优势？
zacks.com
•
2025 年 11 月 25 日
Aviso Financial Inc. 购入德州仪器公司 ($TXN) 649 股股票
defenseworld.net
•
2025 年 11 月 25 日
联合银行集团购入德州仪器公司（股票代码：TXN）463股股票
defenseworld.net
•
2025 年 11 月 25 日
瑞士宝盛银行（Julius Baer & Co. Ltd Zurich）持有价值194,000万美元的德州仪器公司（Texas Instruments Incorporated，股票代码：TXN）股票。
defenseworld.net
•
2025 年 11 月 24 日
投资者要点
- TENG 和其他水驱动能量收集器目前仍主要处于实验室阶段，但它们的目标是实际应用场景：自供电可穿戴设备、物联网传感器、海洋能源和工业压力收集器。
- 与其选择一家早期 TENG 初创公司，投资者可以通过德州仪器 (TXN) 等模拟和电源管理领域的领导者获得更广泛的投资机会，这些公司提供这些系统所依赖的低功耗 IC。
- 值得关注的关键信号包括：更高的报告转换效率、耐用性和封装方面的突破，以及将摩擦电采集器嵌入汽车、工业或医疗平台的早期商业试点项目。
结论：摩擦纳米发电机在清洁能源的未来发展中扮演什么角色
在能量收集领域，摩擦纳米发电机（TENG）提供了一种低成本、高效且可持续的方式，将机械能转化为电能。这项技术不仅能将日常机械相互作用转化为可用电能，还能将流体流动和压力波动转化为可用电能，因此有望应用于柔性可穿戴设备、自供电传感器、海洋环境能源系统等领域。
虽然 TENG 目前在现实世界中的应用还很有限，但通过不断研究改进材料结构、提高效率以及将 TENG 与现有电力系统集成，这些设备最终可以实现更广泛的商业部署。
案例
1. Jang, M.-H.; Rabbitte, SP; Frendi, A.; Conners, RT; Lei, Y.; Wang, G.“利用 Scotch Tape 进行宽带高功率摩擦电能量收集”。 ACS Omega 10，没有。 3（2025）：2778-2789。 https://doi.org/10.1021/acsomega.4c08590
2. Jimidar, ISM, Mālnieks, K., Sotthewes, K., Sherrell, PC, & Šutka, A.“TENG 中的颗粒界面：紧密堆积的聚合物珠单层在能量收集器中的作用。” S小号 21，第 9 期（2025 年）：第 2410155 条。 https://doi.org/10.1002/smll.202410155
3. 王中林，“TENG的未来与王中林”。 通讯材料 6（2025）：第 125 条。 https://doi.org/10.1038/s43246-025-00847-7
4. 张海；戴刚；罗勇；郑涛。“管式液固摩擦纳米发电机的空间体积效应及其对输出性能的提升作用”。 ACS能源通讯 9，没有。 4（2024）：1431-1439。 https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00072
5. 王宇；刘晓；王宇；王浩；王浩；张世林；赵涛；徐敏；王志林。“柔性海藻状摩擦纳米发电机作为波浪能收集器为海洋物联网供电。” ACS纳米 15，没有。 10（2021）：15700-15709。 https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05127
6. 巴托洛梅，L.；韦尔齐亚吉，N.；布林克，M.；阿马尤拉斯，E.；梅尔乔里，S.；阿尔坎，MZ；埃格利蒂斯，R.；苏特卡，A.；乔拉热夫斯基，马萨诸塞州；胡贝尔，P.；梅洛尼，S.；格罗苏，Y.； et al. “疏水性纳米多孔硅整体材料中非润湿液体侵入-挤出过程中的摩擦起电现象。” 纳米能源 146（2025）：第 111488 条。 https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111488
