Når man går på disse trægulve, høster de nok energi til at tænde en pære

Forskere fra Schweiz benytter sig af en uventet energikilde lige under vores fødder:trægulve. Deres nanogenerator, præsenteret 1. september i tidsskriftet Matter , gør det muligt for træ at generere energi fra vores fodfald. De forbedrede også det træ, der blev brugt i deres nanogenerator med en kombination af en silikonebelægning og indlejrede nanokrystaller, hvilket resulterede i en enhed, der var 80 gange mere effektiv - nok til at drive LED-pærer og små elektronik.

Holdet begyndte med at omdanne træ til en nanogenerator ved at klemme to stykker funktionaliseret træ mellem elektroderne. Som en sok, der hænger i skjorten, frisk ud af tørretumbleren, bliver træstykkerne elektrisk ladede gennem periodiske kontakter og adskillelser, når de trædes på, et fænomen, der kaldes den triboelektriske effekt. Elektronerne kan overføres fra et objekt til et andet og generere elektricitet. Der er dog et problem ved at lave en nanogenerator af træ.

"Træ er dybest set triboneutralt," siger seniorforfatter Guido Panzarasa, gruppeleder i professoratet i træmaterialevidenskab placeret ved Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich og de schweiziske føderale laboratorier for materialevidenskab og -teknologi (Empa) Dübendorf. "Det betyder, at træ ikke har nogen reel tendens til at erhverve eller miste elektroner." Dette begrænser materialets evne til at generere elektricitet, "så udfordringen er at lave træ, der er i stand til at tiltrække og miste elektroner," forklarer Panzarasa.

For at booste træets triboelektriske egenskaber coated forskerne det ene stykke af træet med polydimethylsiloxan (PDMS), en silikone, der får elektroner ved kontakt, mens de funktionaliserede det andet stykke træ med in-situ -dyrkede nanokrystaller kaldet zeolitisk imidazolat framework-8 (ZIF-8). ZIF-8, et hybridt netværk af metalioner og organiske molekyler, har en højere tendens til at miste elektroner. De testede også forskellige træsorter for at afgøre, om visse arter eller den retning, træet skæres i, kunne påvirke dets triboelektriske egenskaber ved at tjene som et bedre stillads for belægningen.

Forskerne fandt ud af, at en triboelektrisk nanogenerator lavet med radialt skåret gran, et almindeligt træ til byggeri i Europa, klarede sig bedst. Tilsammen øgede behandlingerne den triboelektriske nanogenerators ydeevne:den genererede 80 gange mere elektricitet end naturligt træ. Enhedens elektricitetsoutput var også stabil under konstante kræfter i op til 1.500 cyklusser.

Forskerne fandt ud af, at en trægulvsprototype med et overfladeareal lidt mindre end et stykke papir kan producere nok energi til at drive husholdnings LED-lamper og små elektroniske enheder såsom lommeregnere. Det lykkedes dem at tænde en pære med prototypen, da en voksen menneske gik på den og forvandlede fodtrin til elektricitet.

"Vores fokus var at demonstrere muligheden for at modificere træ med relativt miljøvenlige procedurer for at gøre det triboelektrisk," siger Panzarasa. "Gran er billigt og tilgængeligt og har gunstige mekaniske egenskaber. Funktionaliseringstilgangen er ret enkel, og den kan skaleres på industrielt niveau. Det er kun et spørgsmål om ingeniørarbejde."

Udover at være effektiv, bæredygtig og skalerbar, bevarer den nyudviklede nanogenerator også de egenskaber, der gør træet nyttigt til indretning, herunder dets mekaniske robusthed og varme farver. Forskerne siger, at disse funktioner kan hjælpe med at fremme brugen af ​​træ nanogeneratorer som grønne energikilder i smarte bygninger. De siger også, at trækonstruktion kan hjælpe med at afbøde klimaændringer ved at binde CO₂ fra miljøet i hele materialets levetid.

Det næste skridt for Panzarasa og hans team er at optimere nanogeneratoren yderligere med kemiske belægninger, der er mere miljøvenlige og nemmere at implementere. "Selvom vi oprindeligt fokuserede på grundforskning, skulle den forskning, vi laver, i sidste ende føre til anvendelser i den virkelige verden," siger Panzarasa. "Det ultimative mål er at forstå træets potentialer ud over de allerede kendte og at give træ med nye egenskaber til fremtidige bæredygtige smarte bygninger."