El efecto triboeléctrico —documentado por primera vez hace más de un siglo como un fenómeno electrostático clásico— ha experimentado recientemente una transformación notable, evolucionando hacia una tecnología de vanguardia para la generación de energía sostenible. Considerado en su día una curiosidad científica y limitado a simples demostraciones de electricidad estática, este principio ancestral ha sido revolucionado por la llegada de los nanogeneradores triboeléctricos (TENG).
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Los TENG convierten la energía mecánica en electricidad mediante la transferencia de electrones cuando dos materiales diferentes entran en contacto y luego se separan. Este sencillo proceso crea un desequilibrio de carga que genera un campo eléctrico a través de la inducción electrostática, lo que induce un flujo de electrones en un circuito externo y produce electricidad. Aunque ya existen otros nanogeneradores, los TENG son únicos porque pueden transformar vibraciones tan bajas como 5 Hz en energía útil.
Por lo tanto, los TENG han surgido como una tecnología prometedora para sistemas sostenibles y autoalimentados, capaces de convertir la energía mecánica omnipresente en energía eléctrica incluso a bajas frecuencias. Durante la última década, la investigación ha evolucionado desde dispositivos de prueba de concepto hasta diversas innovaciones orientadas a aplicaciones en dispositivos portátiles, atención sanitaria, monitorización medioambiental y electrónica inteligente.
En 2024, el mercado mundial de TENG se valoró en aproximadamente 1200 millones de dólares. Se espera que el mercado crezca significativamente, alcanzando alrededor de 13 600 millones de dólares para 2033, lo que representa una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) de casi el 25 %. Este crecimiento está impulsado por el potencial de los TENG para ser utilizados en electrónica de consumo, atención sanitaria, aeroespacial y defensa, y la industria automotriz. A medida que la demanda de fuentes de energía sostenibles y los avances de la nanotecnología han despegado, los TENG son útiles en más aplicaciones.
Crecimiento explosivo de la investigación en apenas una década
La evolución de los TENG desde su creación en 2012 ha estado marcada por un importante interés académico e innovación tecnológica (véase la Figura 1). Examinamos la CAS Content CollectionTM, la mayor colección de publicaciones científicas catalogada por humanos, que abarca el periodo de 2012 a 2025. Este análisis reveló un aumento sustancial en las publicaciones académicas sobre TENG, lo que refleja su creciente importancia en la recolección de energía y los sistemas autoalimentados.
Sin embargo, las patentes (amarillo) están creciendo comparativamente menos que las publicaciones en revistas, ya que los TENG son relativamente nuevos y todavía se encuentran en las primeras etapas de investigación en lugar de comercialización. Los esfuerzos de investigación se centran en el desarrollo de materiales para capas triboeléctricas, la optimización de la estructura de los dispositivos nanogeneradores, la mejora de la función electrostática y la electricidad de salida generada por los nanogeneradores, y el aumento de la estabilidad del rendimiento del dispositivo.
La doble funcionalidad impulsa nuevas aplicaciones
Los TENG utilizan materiales que son intrínsecamente triboeléctricos positivos o negativos por naturaleza, como se enumera en la serie triboeléctrica. Una de las características más interesantes de los TENG es su doble funcionalidad; dado que pueden alimentarse por sí mismos como dispositivos independientes o actuar como fuente de energía para otros dispositivos, satisfacen las necesidades de la electrónica avanzada y la electricidad sin emisiones.
- Como dispositivos activos autoalimentados: Los materiales de la capa triboeléctrica se eligen estratégicamente para actuar como dispositivos activos autoalimentados. En estas aplicaciones, los TENG convierten estímulos mecánicos en señales eléctricas mediante la correlación directa de la señal de salida con el estímulo mecánico, tanto en amplitud como en frecuencia. Esto permite a los TENG ofrecer datos en tiempo real y de alta resolución, lo que los hace ideales para la monitorización en dispositivos portátiles, dispositivos biomédicos, piel electrónica e interfaces humano-máquina.
- Como fuentes de energía externas: Los TENG actúan como fuentes de energía al recolectar energía mecánica ambiental para cargar dispositivos de almacenamiento de energía como supercondensadores o microbaterías, que pueden hacer funcionar dispositivos electrónicos de baja potencia. Como recolectores de energía/fuentes de energía, los TENG son fundamentales para alimentar dispositivos portátiles, electrónica portátil, nodos del Internet de las cosas (IoT) e incluso sistemas de monitorización medioambiental en áreas remotas sin fuentes de energía convencionales.
Numerosos modos de diseño estructural y optimización
Los TENG funcionan en cuatro modos distintos, cada uno con mecanismos únicos para generar electricidad (ver Figura 2).
- Modo de contacto-separación vertical: Dos materiales entran en contacto y luego se separan perpendicularmente, generando cargas opuestas en las superficies. Esta separación crea una diferencia de potencial que impulsa la corriente a través de un circuito externo. Es ideal para movimientos de presión vertical.
- Modo de deslizamiento lateral: Las capas triboeléctricas se deslizan una contra otra horizontalmente, creando un desplazamiento en el área de contacto, lo que conduce a la separación de cargas y a la generación de corriente. Es adecuado para movimientos en el plano, como deslizar, desplazar o girar.
- Modo de electrodo único: Una capa triboeléctrica está conectada a tierra, mientras que la otra (generalmente móvil) induce una diferencia de potencial a medida que entra en contacto/se separa o se desliza. Es ideal para objetos que se mueven libremente o irregulares, como la piel humana o el agua corriente.
- Modo de capa triboeléctrica independiente: Una capa triboeléctrica móvil (no conectada a electrodos) se mueve entre dos electrodos fijos, induciendo un flujo de carga debido al cambio en el equilibrio electrostático. Es eficaz para dispositivos rotatorios, sistemas impulsados por viento/agua y vibraciones de motores.
Además de estos numerosos modos operativos, los TENG muestran una adaptabilidad inherente en una amplia gama de escalas de recolección de energía, desde aplicaciones de nivel micro hasta macro. Esta versatilidad surge de estos diversos modos operativos, su diseño modular y la amplia selección de materiales que pueden personalizarse para entornos y fuentes de energía específicos. Como resultado, los TENG se están integrando en la recolección de energía a gran, mediana y pequeña escala según el tipo de fuente vibratoria (ver Figura 3).
Aplicaciones innovadoras desde la biomedicina hasta la energía renovable
Los TENG son versátiles y, a medida que la electrónica avanzada y el almacenamiento de energía en baterías se vuelven omnipresentes, sus usos se multiplicarán. Como se observa en la Figura 4, nuestro análisis de la CAS Content Collection mostró una visión general detallada de las aplicaciones actuales y emergentes de los TENG, descritas con más detalle a continuación:
Proporcionar energía y flexibilidad para dispositivos portátiles
Los dispositivos portátiles son aparatos electrónicos que se llevan sobre el cuerpo, a menudo cerca de la piel, para rastrear, analizar y transmitir información personal. Estos dispositivos se han vuelto populares debido a su capacidad para monitorear la salud, el estado físico y otros datos biométricos en tiempo real. Los TENG pueden recolectar energía de diversos movimientos mecánicos, como caminar, correr o incluso movimientos corporales sutiles. Esta energía recolectada puede utilizarse para alimentar dispositivos portátiles y crear sensores autoalimentados que monitorean diversos parámetros fisiológicos, como la frecuencia cardíaca, la respiración y la temperatura corporal. Estos sensores también pueden funcionar sin fuentes de alimentación externas.
Los TENG pueden fabricarse con materiales flexibles, lo que los hace adecuados para su integración en ropa y accesorios. Esta flexibilidad garantiza la comodidad y la facilidad de uso para el usuario, y permite que se utilicen para el monitoreo ambiental, como la detección de cambios en la temperatura, la humedad y la calidad del aire.
Alimentación de dispositivos médicos implantables en el cuerpo
Los TENG están surgiendo como una fuente de energía externa para dispositivos implantables en el cuerpo. Pueden alimentar dispositivos como marcapasos, sensores implantables, y sistemas de administración de fármacos. Estos dispositivos captan las vibraciones biomecánicas procedentes de los movimientos corporales, la actividad de los órganos o el flujo de fluidos y las convierten en energía eléctrica utilizable. Se pueden emplear materiales biocompatibles como el PDMS, la silicona o los compuestos de hidrogel, y los dispositivos TENG pueden reducirse de tamaño para adaptarse a espacios anatómicos reducidos.
Habilitación de electroestimulaciones de bucle cerrado
Los TENG se utilizan cada vez más en sistemas de electroestimulación de bucle cerrado debido a su capacidad para generar electricidad a partir de actividades biomecánicas. Pueden funcionar como biosensores activos autoalimentados, detectando el movimiento corporal, la actividad neuronal o la deformación mecánica, y convertir esta energía vibratoria biomecánica en electricidad para su uso en la electroestimulación. Algunos ejemplos incluyen sistemas de autocontrol para vejiga neurogénica hipoactiva estimulación del nervio vago utilizando la energía del peristaltismo gastrointestinal, terapia de modulación del dolor, y rehabilitación muscular mediante estimulación sensible basada en los niveles de movimiento o estrés.
Nanogeneradores triboeléctricos para interfaces humano-máquina
Debido a que son sensores sensibles y autoalimentados, los TENG permiten interfaces humano-máquina (HMI) intuitivas y en tiempo real . Su alta sensibilidad, flexibilidad y escalabilidad los hacen adecuados para prótesis, realidad virtual/aumentada y superficies interactivas. Algunos dispositivos de restauración táctil que utilizan TENG en pacientes con lesiones nerviosas o pérdida de tejido blando ya han llegado al mercado. Los avances recientes incluyen interacción de modo dual, donde los TENG facilitan el reconocimiento de voz y gestos, mejorando las capacidades de interacción. Además, los circuitos de lectura nanofotónica se están utilizando para estabilizar y mejorar el rendimiento en tiempo real de las HMI basadas en TENG.
Facilitación de la recolección de energía oceánica
La recolección de energía de las olas mediante TENG ha surgido como un método prometedor para convertir el movimiento de las olas oceánicas de baja frecuencia en electricidad. Los diseños clave incluyen sistemas basados en péndulos, esferas rodantes e híbridos que convierten el movimiento mecánico inducido por las olas en energía eléctrica. Las aplicaciones van desde boyas y sensores en alta mar hasta sistemas híbridos de energía renovable. Si bien los TENG muestran potencial para la recolección descentralizada de energía marina, deben abordarse desafíos como la escalabilidad y la durabilidad en las duras condiciones oceánicas.
Hibridación con otros nanogeneradores para una mayor fiabilidad
Los TENG son excelentes para recolectar energía mecánica irregular de baja frecuencia. Sin embargo, la salida puede ser intermitente, lo que los hace menos que ideales para todos los entornos cuando se usan solos. La hibridación con tecnologías complementarias amplía su espectro de recolección de energía. La hibridación implica combinar TENG con nanogeneradores que operan bajo otros mecanismos, como los efectos piezoeléctricos, termoeléctricos y piroeléctricos. Además, los TENG se hibridan con baterías y supercondensadores, así como con fuentes de alimentación ininterrumpida (SAI) basadas en TENG, para mejorar las capacidades de almacenamiento y suministro de carga.
Múltiples materiales disponibles para diferentes aplicaciones
Dado que las propiedades de los materiales son cruciales para aumentar la potencia de los TENG, la elección de los materiales es fundamental para su rendimiento y alcance de aplicación. El efecto triboeléctrico es omnipresente y puede ocurrir entre dos materiales cualesquiera que se encuentren en la naturaleza. Para las capas de los TENG, se utilizan habitualmente aislantes y materiales dieléctricos debido a su capacidad para retener las cargas electrostáticas y evitar su disipación.
Los polímeros son una clase principal de materiales elegidos como capas triboeléctricas porque muchos son altamente triboeléctricos positivos o negativos (según la serie triboeléctrica), lo que mejora la transferencia de carga entre las superficies en contacto. La flexibilidad de los polímeros también los hace muy adecuados para aplicaciones elásticas y vestibles.
Los compuestos de polímeros conductores como el PDOT:PSS y el grafeno son útiles como electrodos flexibles y textiles inteligentes, al igual que los materiales 2D como los MXenos. Los marcos metal-orgánicos (MOF) poseen una fuerte capacidad de inducción y captura de carga, lo que los hace adecuados para los TENG en dispositivos vestibles. En nuestro análisis de la CAS Content Collection, visualizamos los materiales mencionados en las publicaciones relacionadas con los TENG (véase la Figura 5).
Existe también un efecto recientemente descubierto en la interfaz metal-semiconductor conocido como el fenómeno tribovoltaico, donde se genera una corriente continua al deslizar un semiconductor de tipo p sobre un semiconductor de tipo m o una superficie metálica. Esto amplía aún más el horizonte de materiales para los TENG hacia la interfaz metal-semiconductor, interfaz semiconductor p-n, interfaz metal-aislante-semiconductor y interfaz metal-aislante-metal.
Desafíos para su uso generalizado
A pesar de su potencial, los TENG presentan desafíos clave para su aplicación más amplia, como la eficiencia de conversión de energía, la durabilidad, la escalabilidad y el conocimiento limitado de sus capacidades. Se enfrentan a la competencia de tecnologías existentes y a obstáculos para su integración junto a sistemas actuales.
Para superar estos desafíos, los investigadores se están centrando en:
- Diseñar materiales avanzados con un mayor rendimiento triboeléctrico, propiedades de autorreparación y respeto por el medioambiente.
- Hibridar los TENG con otros mecanismos de recolección de energía para mejorar el rendimiento.
- Desarrollar métodos de fabricación escalables para su desarrollo en el mundo real.
- Mejorar los sistemas de gestión de energía para un almacenamiento eficiente y una mayor facilidad de uso
- Utilizar polímeros biodegradables y naturales para obtener soluciones más ecológicas.
Impulsando el futuro, un contacto a la vez
Desde sus raíces en la electrostática clásica hasta su uso como modernos recolectores de energía, los TENG han experimentado una transformación notable. Inicialmente considerado un simple subproducto del contacto entre materiales, el efecto triboeléctrico ha resurgido como un mecanismo potente para convertir la energía mecánica ambiental en electricidad. Durante la última década, esta transformación ha sido impulsada por la innovación en materiales, el diseño y la colaboración interdisciplinaria.
Los TENG han evolucionado desde prototipos de laboratorio hasta dispositivos prácticos que han encontrado aplicaciones en muchos sectores. Este progreso refleja no solo la flexibilidad y eficiencia de los TENG, sino también su adaptabilidad a diversas escalas y entornos. Demuestra su inmenso potencial para abordar los desafíos energéticos del mundo real.
A medida que avanzamos hacia un futuro dominado por dispositivos inteligentes y sistemas de energía sostenible, la funcionalidad dual única de los TENG —como recolectores de energía y sistemas autoalimentados— los sitúa a la vanguardia de las tecnologías de próxima generación. Ya sea integrados en prendas de vestir, implantados en dispositivos biomédicos o desplegados como recolectores de energía en entornos remotos, los TENG ofrecen una vía hacia una electrónica limpia, inteligente y libre de mantenimiento.
