En enkeltcifret-mikrometer tykkelse træhøjttaler

I en nylig rapport vedr Naturkommunikation , Wentao Gan og et team af forskere ved afdelingerne for materialevidenskab og teknik i USA har detaljeret beskrevet brugen af ​​en ultratynd film af naturligt træ til at skabe en lydhøjttaler. Konstruktionen udviste fremragende mekaniske egenskaber, herunder høj trækstyrke og øget Youngs modul. Egenskaberne med ultratynd tykkelse og enestående mekanisk styrke tillod fremragende akustiske egenskaber med højere resonansfrekvens og større forskydningsamplitude sammenlignet med en kommerciel polypropylenmembran i en lydhøjttaler. Som proof of concept, Gan et al. brugte direkte den ultratynde træfilm som membran i en rigtig højttaler til at udsende musik. Overfladerne med fremragende mekaniske egenskaber og akustisk ydeevne var en lovende kandidat til at bygge næste generations akustiske højttalere.

Tynde film i skalaen fra mikron til nanometer i tykkelse har multifunktionelle anvendelser i solceller, fødevareemballage, vandbehandling, personlig elektronik og som akustiske sensorer. Akustiske membraner er typisk meget tynde (mikronskala) og mekanisk robuste med et højt modul for at tillade en meget følsom frekvensgang og høj vibrationsamplitude. Fysikere og ingeniører har dedikeret en enorm indsats i de sidste årtier for at udvikle en række akustiske tyndfilmsmaterialer baseret på plastik, metal, keramik og carbon for at forbedre lydkvaliteten.

Tynde plastfilm bruges allestedsnærværende i kommercielle højttalere på grund af lave omkostninger og let fremstilling, imidlertid, de påfører en enorm miljøpåvirkning på grund af ineffektiv nedbrydning. Metal, keramiske og kulstofbaserede materialer viser også højere modul sammenlignet med plastfilm for at forbedre frekvensresponsen af ​​den akustiske membran. Disse komponenter koster generelt højere og kræver komplekse, energikrævende fremstillingsprocesser. Som resultat, det er ønskeligt at udvikle et biologisk nedbrydeligt, akustisk tynd film til grønne og omkostningseffektive applikationer.

Morfologi og kemisk karakterisering af træfilmene

Naturlige cellulosebaserede materialer såsom bagasse, træfibre, kitin, bomuld, bakteriel cellulose og lignocellulose giver en miljøvenlig platform til at fremstille tynde film hurtigt uden brug af begrænsede fossile ressourcer. Træets naturlige struktur er et effektivt alternativ til mere skalerbare og mekanisk robuste cellulosefilm. Træ kan bruges som stillads til at konstruere tynde film i en top-down tilgang i en skalerbar og omkostningseffektiv proces sammenlignet med bottom-up metoder. Vedligeholdelse af tilpasningen af ​​cellulosefibre vil tillade robuste mekaniske egenskaber i det resulterende materiale. Træ er også fornybart, biologisk nedbrydeligt og miljømæssigt bæredygtigt sammenlignet med plast og metal.

At bygge den ultratynde film med en tykkelse så lav som 8,5 mikrometer i dette arbejde, Gan et al. delvist fjernet lignin (delignificering) og hemicellulose fra naturligt balsatræ. De dannede et meget porøst materiale, som tilbageholdt det meste af cellulosen i cellevæggene, efterfulgt af at øge densiteten af ​​behandlet træ ved varmpresning for en tykkelsesreduktion på 97 procent. Den tætpakkede træcellevægstruktur kombineret med højt justerede cellulosefibre, bidrog til overlegen trækstyrke og højt Youngs modul. Forskerholdet brugte industribaserede skæremetoder til at udvikle en meterlang naturlig balsa-træfilm i laboratoriet for at afsløre materialets potentiale for storskalafremstilling via en top-down tilgang.

Træfilmenes mekaniske egenskaber

Gan et al. skære det naturlige træ langs dets længderetning for at bevare kanalstrukturen og observerede de mikroskopiske strukturer ved hjælp af scanning elektronmikroskopi (SEM). Cellulose nanofibrene i den ultratynde træfilm forblev stærkt orienterede, men tættere laminerede sammenlignet med naturligt træ. Røntgendiffraktionsanalyse (XRD) indikerede fastholdelse af den molekylære justering og krystalstrukturen af ​​cellulosenanofibrene, hvilket var vigtigt for materialets mekaniske egenskaber.

For at forstå materialets mekaniske egenskaber, forskerholdet udførte mekaniske trækprøver. Ultratyndt træ viste stærkt forbedret mekanisk opførsel sammenlignet med naturligt træ, med øget brudstyrke på op til 342 MPa og Youngs modul på 43,65 GPa. Disse værdier indikerede en næsten 20 gange forbedring i trækstyrke og 35 gange forbedring i Youngs modul sammenlignet med naturligt træ.

Forskerne var ivrige efter at forstå de underliggende mekanismer. For det, de brugte SEM-observationer og demonstrerede en porøs mikrostruktur med talrige trækanaler i den naturlige træskive efter trækprøver. Funktionen gjorde det lettere at trække løst samlet træ under spænding; forklarer den naturligt lave observerede brudstyrke. I modsætning, træcellevægge i den syntetiske ultratynde træfilm dannede hydrogenbindinger mellem de fast komprimerede cellulosenanofibre efter fortætning; kræver højere energi for at blive trukket fra hinanden.

Den høje trækstyrke og Youngs modul af den ultratynde film oversteg også typiske plastik og naturlige biomaterialer for at validere dens fremragende mekaniske egenskaber. Den exceptionelle fleksibilitet og foldbarhed gjorde det muligt for forskerhold at udvikle en række origami-designs. I modsætning, det skøre naturlige træ udviste ikke en sådan formbarhed. Foldbarheden fremhævede også potentielle anvendelser af de ultratynde træfilm til fotonik, akustiske sensorer og fleksible elektroniske enheder. Det høje Youngs modul og den ultratynde natur af træfilmen hjalp med at øge resonansfrekvensen og forbedre forskydningsamplituden af ​​membranvibrationen. Disse egenskaber passede stærkt til den ultratynde træfilms applikationer som en membran til akustiske transducere med en bred operationsbåndbredde, med høj følsomhed for mikrofoner og høje lydtrykniveauer for højttalere.

Den nye konstruktion dannede et attraktivt alternativ til konventionelle polymerfilm, gør det muligt for den ultratynde træfilm at blive særdeles velegnet til akustiske transducere med en bred operationsbåndbredde, høj følsomhed og højt lydtryk. For at bekræfte egenskaberne ved øget resonansfrekvens og forskydning, holdet testede frekvensresponsen af ​​det ultratynde træ sammenlignet med en konventionel polymerfilm. Resultaterne var yderst ønskværdige som højtydende akustiske transducere.

Gan et al. demonstreret lovende anvendelser af de ultratynde træfilm som en akustisk transducer til at samle en miniaturehøjttaler. Prototypen indeholdt en træmembran og et printkort med en miniaturehøjttaler, indeholdende en kobberspole og permanent magnet. Opsætningen gjorde det lettere for elektromagnetiske kræfter at virke på spolen og få membranen til at vibrere frem og tilbage. De oversatte det elektriske signal til en hørbar lyd, som et resultat af lufttrykket forårsaget af membranen og optaget den hørbare lyd fra højttalerprototypen ved hjælp af en mikrofon og lydbølge, som de analyserede ved hjælp af Adobe Audition CC. Forskerholdet brugte højttaleren til at afspille en optagelse af den spanske Matador-march. De forventer yderligere at forbedre membranstrukturens design og præcise samlinger inden for den eksisterende industrielle proces. Den bæredygtige teknologi kan oversættes til fremstilling af mikrofoner, høreapparater og akustiske sensorer.

På denne måde Wentao Gan og kolleger udviklede og demonstrerede en effektiv top-down strategi til at konstruere en ultratynd træfilm på mindre end 10 mikrometer i tykkelse efter at have udsat naturligt træ for delignificering og fortætning. De observerede en unik mikrostruktur for den ultratynde træfilm med sammenflettede træcellevægge og justerede cellulose nanofibre, hvilket bidrog til fremragende mekaniske egenskaber i forhold til forbedret trækstyrke og Youngs modul. Forskerholdet opnåede en højtydende akustisk transducer med øget resonansfrekvens og forbedret forskydningsamplitude. Den grønne højttalerprototype genererede musik på grund af vibrationer fra den ultratynde træmembran med vidtgående akustiske anvendelser af materialet. Forskerholdet forestiller sig, at teknikken vil åbne yderligere funktioner og applikationer til stærke filmmaterialer, der bruger bæredygtige og biologisk nedbrydelige naturressourcer til at erstatte plastik, metal og keramik.

© 2019 Science X Network