Oamenii de știință elvețieni generează electricitate din lemn

din

Plin de energie: lemnul modificat poate genera electricitate prin deformare. Este suficient un tango pentru lumina slaba?

Cercetătorii de la Empa și ETH Zurich au fabricat lemn comprimabil și l-au transformat într-un microgenerator. Când este încărcat, se generează o tensiune electrică. În acest fel, lemnul poate servi ca bio-senzor – sau poate genera energie utilizabilă. Ultimul accent: Pentru a ne asigura că procesul nu necesită substanțe chimice agresive, ciupercile distructive naturale din lemn își asumă sarcina de a modifica lemnul.

Ingo Burgert și echipa sa de la Empa și ETH Zurich au încercat din când în când: lemnul este mult mai mult decât „doar” un material de construcție. Cercetarea lor își propune să extindă caracteristicile existente ale lemnului în așa fel încât să fie adecvate pentru domenii de aplicare complet noi. De exemplu, au dezvoltat deja lemn cu rezistență ridicată, hidrofug și magnetizant. Acum, împreună cu grupul de cercetare Empa al lui Francis Schwarze și Javier Ribera, echipa a dezvoltat un proces simplu, ecologic pentru generarea de electricitate dintr-un tip de burete de lemn, așa cum a fost raportat săptămâna trecută în jurnal Progrese în știință.

Presiunea generează tensiune din lemn de burete

Deja o presiune mică poate genera tensiune electrică în buretele din lemn. Credit: ACS Nano / Empa

Tensiunea prin deformare

Dacă doriți să generați electricitate din lemn, așa-numitul efect piezoelectric intră în joc. Piezoelectricitatea înseamnă că o tensiune electrică este creată de deformarea elastică a corpurilor rigide. Acest fenomen este exploatat în principal de metrologie, care utilizează senzori care generează un semnal de sarcină, să zicem, atunci când se aplică o sarcină mecanică.

Cu toate acestea, astfel de senzori folosesc adesea materiale care nu sunt adecvate pentru utilizarea în aplicații biomedicale, cum ar fi titanul cu zirconiu de plumb (PZT), care nu poate fi utilizat pe pielea umană din cauza plumbului pe care îl conține. De asemenea, face ca depunerea ecologică a PZT și Co destul de complexă. A putea folosi efectul piezoelectric natural al lemnului oferă astfel o serie de avantaje. Dacă ne gândim mai departe, efectul poate fi folosit și pentru producția durabilă de energie. Dar, în primul rând, lemnului trebuie să i se dea proprietățile potrivite. Fără tratament special, lemnul nu este suficient de flexibil; când este supus la solicitări mecanice; prin urmare, doar o tensiune electrică foarte mică este generată în procesul de deformare.

De la bloc la burete

Jianguo Sun, doctorand al echipei Burgert, a folosit un proces chimic care stă la baza diferitelor „rafinări” ale lemnului pe care echipa le-a întreprins în ultimii ani: delignificarea. Pereții celulari din lemn sunt compuși din trei materiale de bază: lignină, hemiceluloză și celuloză.

Nanogenerator piezoelectric

Așa funcționează un nanogenerator piezoelectric: Odată dizolvată structura solidă din lemn, rămâne o rețea flexibilă de celuloză. Când acest lucru este stors, sarcinile sunt împărțite, generând o tensiune electrică. Credit: ACS Nano / Empa

„Linia este cea de care are nevoie un copac pentru a crește până la înălțimi mari. „Acest lucru nu ar fi posibil fără lignina ca substanță stabilizatoare care leagă celulele și împiedică lipirea fibrelor solide de celuloză”, explică Burgert. Pentru a transforma lemnul într-un material care poate fi ușor deformat, linia trebuie cel puțin parțial „extrasă”. Acest lucru se realizează prin plasarea lemnului într-un amestec de peroxid de hidrogen și acid acetic acid. Lignina se dizolvă în această baie acidă, lăsând un cadru de straturi de celuloză.

„Profităm de structura ierarhică a lemnului fără să-l digerăm mai întâi, așa cum se întâmplă în producția de hârtie, de exemplu, și apoi trebuie să reconectăm fibrele”, spune Burgert. Buretele de lemn alb rezultat este format din straturi subțiri de celuloză suprapuse, care pot fi strânse ușor împreună și apoi extinse înapoi la forma lor originală – lemnul a devenit elastic.

Electricitate din pardoseli din lemn

Echipa Burgert a supus cubul de testare la o lungime laterală de aproximativ 1,5 cm la aproximativ 600 de cicluri de încărcare. Materialul a arătat o durabilitate uimitoare. La fiecare compresie, cercetătorii au măsurat o tensiune de aproximativ 0,63 V – suficientă pentru o aplicație precum un senzor. În alte experimente, echipa a încercat să își scaleze nanogeneratoarele din lemn.

Nanogenerator de lemn

Nanogenerator: Odată ce structura din lemn masiv (stânga) este dizolvată cu un acid, rămân straturi flexibile de celuloză (mijloc / dreapta). Când sunt apăsate împreună, zonele încărcate diferit se schimbă una față de alta. Suprafața materialului devine încărcată electric. Credit: ACS Nano / Empa

De exemplu, au reușit să arate că 30 de astfel de blocuri de lemn, atunci când sunt încărcate în paralel cu greutatea corporală a unui adult, pot lumina un simplu ecran LCD. Prin urmare, ar fi posibil să se dezvolte o podea din lemn care să poată transforma energia oamenilor care merg pe ea în electricitate. Cercetătorii au testat, de asemenea, adecvarea ca senzor de presiune pe pielea umană și au arătat că poate fi utilizat în aplicații biomedicale.

Implementare în pregătire

Lucrările descrise în ultimul număr al echipei Empa-ETH merg totuși cu un pas mai departe: Scopul a fost modificarea procesului în așa fel încât să nu mai necesite utilizarea unor substanțe chimice agresive. Cercetătorii au găsit un candidat potrivit care ar putea efectua delignificarea sub formă de proces biologic în natură: ciuperca Ganoderma applanatum, cauzele putregaiului alb pe lemn. „Ciupercile descompun lignina și hemicelulozele din lemn în mod delicat,” spune cercetătorul Empa, Javier Ribera, explicând procesul ecologic. Mai mult, procesul poate fi ușor controlat în laborator.

Lemn de Balsa și Lemn Delignificat

Imaginile cu microscopie electronică de scanare (SEM) ale lemnului de balsa (stânga) și ale lemnului delignificat ilustrează modificările structurale. Credit: ACS Nano / Empa

Există încă câțiva pași de făcut înainte ca lemnul piezo poate fi folosit ca senzor sau ca podea din lemn care generează electricitate. Dar avantajele unui sistem piezoelectric atât de simplu și, în același timp, regenerabil și biodegradabil, sunt evidente – și sunt acum cercetate de Burgerrt și colegii săi într-un proiect de urmărire. Și pentru a adapta tehnologia la aplicațiile industriale, cercetătorii sunt deja în discuții cu potențiali parteneri de colaborare.

Referință: „Conversie extinsă a energiei mecanice în lemn selectiv degradat” de Jianguo Sun, Huizhang Guo, Gian Nutal Schädli, Kunkun Tu, Styfen Schär, Francis WMR Schwarze, Guido Panzarasa, Javier Ribera și Ingo Burgert, 10 martie 20, Progrese în știință.
DOI: 10.1126 / sciadv.abd9138

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.