Nanotechnology for energy harvesting: from fundamental triboelectrification to self-powered smart applications via triboelectric and piezoelectric nanogenerators

dc.contributor.advisor-co1Mattoso, Luiz Henrique Capparelli
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5839043594908917
dc.contributor.advisor-co1orcidhttps://orcid.org/0000-0001-7586-1014
dc.contributor.advisor1Otoni, Caio Gomide
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9403804691367376
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0001-6734-7381
dc.contributor.authorSilva, Rafael Resende Assis
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/7712777471472694
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0001-6112-8727
dc.contributor.refereeScuracchio, Carlos Henrique
dc.contributor.refereeGomes, Carmen Luiza Feitosa de Lima
dc.contributor.refereeFortunato, Elvira Maria Correia
dc.contributor.refereeBarquinha , Pedro Miguel Cândido
dc.contributor.refereeCoelho , João Carlos Mesquita
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/0896060959622431
dc.date.accessioned2026-02-24T18:26:43Z
dc.date.issued2025-12-10
dc.description.abstractThe urgent global demand for sustainable, decentralized, and reliable energy solutions has fuelled research into nanotechnology-based energy harvesting. This thesis advances both the fundamental understanding of triboelectrification and the development of multifunctional nanogenerators - triboelectric (TENGs) and piezoelectric (PENGs) - with the objective of enabling next-generation self-powered smart applications. To establish the foundation, a comprehensive analysis of the triboelectric effect - particularly under dirt-prone environments - was conducted alongside the role of functional materials for environmental energy harvesting and smart sensing. Charge-transport mechanisms, device architectures, and stimuli-responsive systems were examined, highlighting durability, contamination, and variability challenges, and providing the conceptual framework for smart TENGs applications developed in this thesis. Systematic investigations of liquid-solid triboelectrification revealed how flow dynamics, device structure, and ionic content govern electrical output. To translate TENGs into self-powered pressure sensors, a hierarchical surface-engineering strategy enhanced output and introduced self-cleaning capability for durable e-skin. Dual-scale micro/nanostructuring with chemical modification produced superhydrophobic surfaces, achieving superior energy harvesting (~270 mW·m-2), high-pressure sensitivity, and 94% contaminant removal. Toward sustainable electronics, laser-induced graphene (LIG) electrodes were developed for food-quality monitoring and integrated with self-powered barcodes via TENGs. Anthocyanin incorporation catalyzed graphene synthesis (ID/IG = 0.87) and conferred NH3 responsiveness, enabling tri-modal detection-colorimetric, electrochemical, and RFID-with a 110-ppm detection limit and 1.2 Ω·m3·mg-1 sensitivity, thereby allowing real-time, wireless, and reagent-free freshness monitoring. In the biomedical domain, PENGs and mechanically triggered electric fields developed stimuli-responsive gyroid scaffolds with NaNbO3 nanostructures for bone regeneration. Combining hierarchical porosity with ultrasound stimulation, these scaffolds enhanced cell proliferation, alignment, and mineralization, achieving >1200% calcium deposition and establishing bioelectric scaffolds as transformative for regenerative therapies. Collectively, this thesis demonstrates how multifunctional nanogenerators, grounded in fundamental mechanisms, can be engineered as a sustainable and versatile nexus for self-powered sensors in healthcare, agriculture, smart packaging, and pressure-sensing applications.eng
dc.description.resumoA crescente demanda global por soluções energéticas sustentáveis, descentralizadas e confiáveis tem impulsionado pesquisas em colheita de energia baseada em nanotecnologia. Esta tese aprofunda a compreensão da triboeletrificação e o desenvolvimento de nanogeradores multifuncionais, triboelétricos (TENGs) e piezoelétricos (PENGs), voltados a aplicações inteligentes e autônomas. Foi realizada uma análise abrangente do efeito triboelétrico, especialmente em ambientes sujeitos à contaminação, juntamente com o papel de materiais funcionais na colheita de energia ambiental e em sistemas de detecção inteligente. Mecanismos de transporte de carga, arquiteturas de dispositivos e sistemas responsivos a estímulos foram investigados, destacando desafios e estabelecendo o arcabouço conceitual das aplicações desenvolvidas. Estudos da triboeletrificação líquido-sólido revelaram como a dinâmica do fluxo, a estrutura e o conteúdo iônico governam a geração elétrica. Para converter TENGs em sensores de pressão autônomos, uma estratégia hierárquica de engenharia de superfície aumentou o desempenho e introduziu autolimpeza em e-skins duráveis. A micro/nanoestruturação e modificação química produziram superfícies hidrofóbicas, alcançando alta colheita de energia (~270 mW·m-2), sensibilidade e de remoção de contaminantes (94%). Eletrodos de grafeno induzido a laser (LIG) foram desenvolvidos para monitoramento da qualidade de alimentos e integrados a códigos de barras autoalimentados. A incorporação de antocianinas catalisou a síntese do grafeno (ID/IG: 0,87) e conferiu responsividade a NH3, permitindo detecção trimodal, colorimétrica, eletroquímica e RFID, com limite de 110-ppm e sensibilidade de 1,2 Ω·m3·mg-1, possibilitando monitoramento sem fio e em tempo real. No campo biomédico, PENGs e campos elétricos induzidos mecanicamente geraram scaffolds giroides com nanostruturas de NaNbO3 para regeneração óssea. A combinação de porosidade hierárquica e estimulação ultrassônica aprimorou proliferação, alinhamento e mineralização celular, atingindo aumento >1200% na deposição de cálcio. Assim, esta tese demonstra como nanogeradores multifuncionais, fundamentados em princípios básicos, podem formar um elo sustentável-versátil para sensores autoalimentados em saúde, agricultura, embalagens inteligentes e interfaces robóticas.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.description.sponsorshipIdProcesso n°: 88887.625336/2021-00, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipIdProcesso n°: 200337/2022-0, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.identifier.citationSILVA, Rafael Resende Assis. Nanotechnology for energy harvesting: from fundamental triboelectrification to self-powered smart applications via triboelectric and piezoelectric nanogenerators. 2025. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/23672.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/23672
dc.language.isoeng
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
dc.relation.urihttps://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702125002536
dc.relation.urihttps://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202513924
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectNanotecnologia
dc.subjectNanotechnologyeng
dc.subjectNanogeradores triboelétricos (TENGs)
dc.subjectTriboelectric nanogenerators (TENGs)eng
dc.subjectGeração de energia
dc.subjectSensores inteligentes
dc.subjectSmart sensorseng
dc.subjectPolímeros
dc.subjectPolymerseng
dc.subjectSensores autoalimentados
dc.subjectSelf-powered sensorseng
dc.subjectGrafeno induzido a laser
dc.subjectLaser-induced grapheneeng
dc.subjectEngenharia de superfície
dc.subjectSurface engineeringeng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS
dc.subject.ods3. Saúde e Bem-Estar
dc.subject.ods4. Educação de Qualidade
dc.subject.ods7. Energia limpa e acessível
dc.subject.ods9. Indústria, Inovação e Infraestrutura
dc.subject.ods11. Cidades e Comunidades Sustentáveis
dc.subject.ods12. Consumo e Produção Responsáveis
dc.subject.ods13. Ação contra a Mudança Global do Clima
dc.titleNanotechnology for energy harvesting: from fundamental triboelectrification to self-powered smart applications via triboelectric and piezoelectric nanogeneratorseng
dc.title.alternativeNanotecnologia para aproveitamento de energia: da triboeletrificação fundamental às aplicações inteligentes autoalimentadas por nanogeradores triboelétricos e piezoelétricos
dc.typeTese

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