Holdbare træsvampe fungerer som grønne sensorer for mekanisk belastning

Slå den helt rigtige balance mellem blødhed og robusthed, balsatræ er et valgmateriale til fremstilling af alt fra modelfly til vindmøllevinger i fuld størrelse. Forskere i USA og Kina har åbnet et nyt område af muligheder for balsa ved at kapre dets naturlige struktur med kemiske og fysiske behandlinger for at omdanne det til en "træ -carbon -svamp", der er i stand til at udholde gentagen kompression og andre ekstreme mekaniske forhold. Deres arbejde vises 1. marts i journalen Chem .

"Vores resultater afslører, at stiv og inkomprimerbar balsa kan gøres meget komprimerbar ved en kemisk behandlings- og karboniseringsproces, giver en trækulstofsvamp med mekanisk komprimerbarhed og træthedsbestandighed og elektrisk responsfølsomhed, der overgår dem for de fleste rapporterede komprimerbare kulstofholdige materialer, "siger co-seniorforfatter Liangbing Hu, en nano-ingeniør og materialeforsker ved University of Maryland, College Park (UMD) 's A. James Clark School of Engineering. "Da denne træ-carbon-svamp er fremstillet fuldstændigt af naturligt træ med en enkel og omkostningseffektiv metode, kildematerialet er også usædvanligt fornyeligt og bæredygtigt, i modsætning til populære muligheder som carbon nanorør eller grafen. "

Forfatterne opnåede den bøjelige, men modstandsdygtige arkitektur af trækulstofsvampen ved at bruge almindelige kemikalier til at ødelægge de stive hemicellulose- og ligninfibre, der opretholder balsatræets normale cellevægsstruktur og derefter opvarme det behandlede træ til 1, 000 C for at gøre det organiske materiale til kulstof alene. Nettoeffekten af ​​processen var at kollapse de gentagne, fast, rektangulære lommer, der er typiske for mikrostrukturen i balsa og andre træsorter, og erstat dem med en stak bølget, sammenlåsning, buelignende carbonplader, lignet af Hu til en krydsning mellem en spiralfjeder og en bikage.

Mens normalt kulsyreholdigt træ, kun opnået fra opvarmningstrinnet uden kemiske ændringer, er så skrøbelig, at enhver rimelig påført kraft pulveriserer den irreversibelt til aske og støv, trækulissvampen modstod og kom tilbage fra betydelig kompression i op til 10, 000 på hinanden følgende forsøg inden deformation satte ind. En sådan præstation overraskede oprindeligt forskerholdet, som også blev ledet af Teng Li, en maskiningeniør ved University of Maryland, College Park, og Jia Xie, en elektrotekniker ved Huazhong University of Science and Technology (Kina).

Efter at have udført yderligere mekaniske og elektriske test på svampen, forskerne var i stand til at inkorporere et stykke af det i en stamme sensor prototype egnet til vedhæftning til en menneskelig finger, en kvalitet, der er ønskelig til brug i bærbar fitness- eller sundhedsovervågningselektronik.

Forskerne mener, at træ-carbon-svampmaterialet også kunne inkorporeres i vandrensningsanordninger og energilagring og samtaleteknologier, såsom superkapacitorer og genopladelige batterier. "De rigelige applikationer illustrerer værdien af ​​en strategi, der undersøger naturmaterialers skjulte potentialer, såsom træer, ved at hente inspiration fra andre naturlige strukturer og kilder, "Siger Hu.