Усиление контактной электрификации с помощью наножидкостей при проникновении и выдавливании жидкости в нанопористых материалах

Как крошечные частицы помогают вырабатывать энергию

Обычные действия — наливание воды, перекачка нефти или капли дождя, попадающие на стекло — тихо перемещают электрический заряд там, где жидкости соприкасаются с твердыми поверхностями. В этом исследовании показано, что добавление очень небольшого количества специально разработанных наночастиц в воду может значительно усилить эту скрытую электроэнергию без изменения самого устройства. Работа указывает на простые и недорогие способы улавливания потерянного механического движения — вибраций, ударов или волн — и преобразования его в полезную энергию для датчиков и другой малой электроники.

Почему важно трение между жидкостью и твердой поверхностью

Каждый раз, когда жидкость смачивает, а затем покидает поверхность, при контакте происходит обмен электрическим зарядом. Эта «контактная электрификация» участвует в технологиях от водоочистки и микрофлюидных лабораторных чипов до устройств для сбора энергии, называемых трибоэлектрическими наногенераторами. В одном из классов таких устройств жидкость вытесняется в чрезвычайно тонкие поры в твердом теле и обратно, и повторяющееся смачивание и высыхание внутренних поверхностей создаёт крошечные всплески тока. Эти устройства привлекательны для улавливания низкочастотных движений — например, вертикальных колебаний автомобильного амортизатора — но до сих пор их электрическая отдача оставалась скромной, что ограничивало практическое применение.

Добавление нового ингредиента в жидкость

Авторы задали на первый взгляд простую мысль: вместо того чтобы переделывать твердый материал или подвижные части, а что если изменить только жидкость? Они создали «наножидкости», диспергируя низкую концентрацию наночастиц фуллеренола — углеродных молекул в форме футбольного мяча, покрытых кислородсодержащими группами — в воде. Сначала они опускали и поднимали твердую пластину в разных наножидкостях, чтобы измерить генерируемое напряжение. Суспензии с частицами на основе фуллеренов почти вдвое увеличивали пиковое напряжение по сравнению с чистой водой, тогда как другой тип наночастиц (квантовые точки) не показал значимого эффекта. Этот ранний тест предположил, что правильный тип наночастиц может напрямую усиливать процесс зарядообразования на границе жидкость–твердое тело, а не просто менять кислотность или другие базовые свойства.

Испытания в крошечных порах под давлением

Далее команда перешла к основной платформе: устройствам, где вода под давлением вдается в нанопористые твердые материалы и выходит из них. Они использовали два очень разных материала. Один — мезопористый силикагелевидный материал (WC8) с порами достаточно большими, чтобы фуллеренольные частицы могли свободно входить и выходить. Другой — металл‑органическая структура ZIF‑8, у которой входы в поры настолько узкие, что наночастицы фактически не проходят; через них проходит только вода. При циклическом изменении давления и мониторинге тока и напряжения через внешнее сопротивление исследователи измеряли, сколько электрической энергии производится в каждом случае, как с чистой водой, так и с наножидкостью.

Сколько дополнительной энергии обнаружили

В обоих материалах наножидкость заметно превзошла чистую воду. Для силики энергия, собираемая за цикл, увеличилась более чем в десять раз, а пиковая плотность мощности более чем удвоилась. Для ZIF‑8 улучшение было ещё более впечатляющим: энергия за цикл выросла более чем на порядок, а плотность мощности приблизилась к лучшим значениям, сообщённым для гораздо более сложных кремниевых устройств — несмотря на применение относительно простой установки. Интересно, что наночастицы также изменили процессы вхождения и выхода жидкости из пор, сдвинув давление, необходимое для проникновения и выдавливания, в противоположных направлениях для двух материалов — что отражает, допускаются ли частицы внутрь пор или остаются в окружающей жидкости.

Как наночастицы могут выполнять свою роль

Авторы предполагают, что наночастицы действуют как подвижные носители заряда, добавляя новый путь «твердое–твердое» внутри жидкости. Поскольку фуллеренол сильно притягивает электроны, столкновения частиц со стенками пор могут передавать заряд в дополнение к обычным событиям на границе жидкость–твердое тело. В силике частицы перемещаются как внутри пор, так и снаружи, увеличивая общий перенос заряда за цикл, хотя их движение несколько затруднено в ограниченном объёме. В ZIF‑8 частицы остаются в объёмной жидкости, где могут двигаться свободнее, что может объяснять более высокую мгновенную мощность, несмотря на недоступность пор. Другие эффекты — например, тонкие изменения в укладке ионных слоёв на поверхности — также могут играть роль, и авторы подчёркивают, что подробный механизм ещё предстоит полностью выяснить.

Что это значит для будущих устройств

Проще говоря, это исследование показывает, что простая замена воды на тщательно подобранную наножидкость может сделать поровое устройство для сбора энергии более чем в десять раз мощнее, без переработки твердой структуры или режима его привода. Это делает подход привлекательным для масштабирования и для модернизации существующих концепций в области сбора энергии и сенсорики. Рассматривая жидкость не только как пассивную среду, но и как электрически активный компонент, инженеры получают новый гибкий способ настройки производительности. Работа указывает на будущее, в котором крошечные, надёжные генераторы, питаемые повседневными движениями, можно будет оптимизировать просто подбором содержащихся в них наночастиц.

Цитирование: Johnson, L.J.W., Arkan, M.Z., Serda, M. et al. Enhancing contact electrification using nanofluids during liquid intrusion and extrusion in nanoporous materials. Sci Rep 16, 9904 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38089-3

Ключевые слова: наножидкости, трибэлектрический наногенератор, нанопористые материалы, сбор энергии, фуллерены