Исследователи из ETH Zurich и Empa химически модифицировали дерево, сделав его более сжимаемым, и превратили его в мини-генератор. При сжатии оно генерирует электрическое напряжение. Такое дерево может служить биосенсором или строительным материалом, который собирает энергию.
Инго Бургерт и его команда из государственного исследовательского университета ETH Zurich и Швейцарской федеральной лаборатории Empa доказали, что дерево — это гораздо больше, чем просто строительный материал. Их исследования улучшают свойства древесины для использования в новых областях. Например, они уже разработали прочное, водоотталкивающее и намагничивающееся дерево.
Теперь, вместе с исследовательской группой Empa под руководством Фрэнсиса Шварце, команда использовала один химический и один биологический процесс для генерации электрического напряжения из разновидности древесной губки. При этом они усиливают так называемый «пьезоэлектрический эффект» древесины.
Сжатие создает напряжение
Когда пьезоэлектрический материал упруго деформируется, он генерирует электрическое напряжение. В частности, измерительная техника использует это явление, применяя датчики, которые генерируют зарядный сигнал при механическом воздействии. Однако многие материалы, часто используемые для таких датчиков, непригодны для биомедицинских применений. Например, цирконат-титанат свинца (PZT) нельзя использовать на коже из-за токсичного свинца, и он требует специальной утилизации.
Дерево также обладает естественным пьезоэлектрическим эффектом, но генерирует лишь очень низкое электрическое напряжение. Если нужно увеличить напряжение, необходимо изменить химический состав древесины — и это также делает ее более сжимаемой.
От бруска дерева к губке
Чтобы превратить дерево в легко формуемый материал, необходимо растворить один из компонентов клеточных стенок. Клеточные стенки древесины состоят из трех основных веществ: лигнина, гемицеллюлозы и целлюлозы. «Лигнин — это стабилизирующее вещество, которое деревьям необходимо для роста вверх. Без лигнина, который соединяет клетки и предотвращает прогиб жестких целлюлозных фибрилл, это было бы невозможно», — говорит Бургерт.
Несколько месяцев назад Цзяньго Сунь, аспирант команды Бургерта, вместе с коллегами из ETH и Empa опубликовал исследование в журнале ACS Nano, в котором объяснялось, как сделать дерево деформируемым, удалив лигнин химическим путем. В результате усиливается его пьезоэлектрический эффект.
Исследователи достигли этого «делигнификации», поместив дерево в смесь перекиси водорода и уксусной кислоты. Кислота растворяет лигнин, оставляя каркас из целлюлозных слоев. «Процесс сохраняет иерархическую структуру древесины и предотвращает распад отдельных волокон», — объясняет Бургерт.
Таким образом, кусок бальсы превращается в белую древесную губку, состоящую из слоев тонкой целлюлозы. Губка может просто сжиматься, а затем возвращаться в исходное положение. «Древесная губка генерирует электрическое напряжение в 85 раз выше, чем у необработанной древесины», — говорит Сунь.
Мини-генератор в деревянном полу
Команда подвергла тестовый куб со стороной около 1,5 см примерно 600 циклам нагрузки. Древесная губка оказалась на удивление стабильной: при каждой нагрузке исследователи измеряли напряжение примерно 0,63 вольта, что подходит для датчика. В дальнейших экспериментах команда протестировала масштабируемость этого мини-генератора. Если подключить 30 таких деревянных блоков и равномерно нагрузить их весом взрослого человека, будет генерироваться достаточно электричества для питания простого ЖК-дисплея.
Обработка грибком вместо химикатов
В последующем исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, исследовательская команда ETH-Empa пошла еще дальше, стремясь получить древесную губку без использования химикатов. Исследователи нашли решение в природе: грибок Ganoderma applanatum вызывает белую гниль древесины и мягко разрушает лигнин и гемицеллюлозу. «Хотя в начальных тестах генерируемое электрическое напряжение было ниже, чем у химически обработанной древесины, грибковый процесс более экологичен», — говорит Бургерт.
У такой простой, возобновляемой пьезоэлектрической системы есть явные преимущества. Исследователи видят различные потенциальные применения для древесных губок — например, в качестве экологичных строительных материалов, собирающих энергию во время эксплуатации, или в качестве кожных датчиков давления для медицинских целей.
Однако до того, как пьезо-древесина сможет использоваться в качестве биосенсора или даже паркетного пола, собирающего электричество, предстоит пройти еще несколько этапов. Бургерт и его коллеги в настоящее время изучают с различными партнерами, как адаптировать технологию для промышленного применения.
Источник новостей: редакционная команда ETH Zurich
Главное фото: Joel & Jasmin Førestbird/Unsplash