Scanning elektronmikroskopi (SEM) billeder af balsa træ (venstre) og delignificeret træ illustrerer de strukturelle ændringer. Kredit:ACS Nano / Empa
Ingo Burgert og hans team hos Empa og ETH Zürich har bevist det gang på gang:Træ er så meget mere end "bare" et byggemateriale. Deres forskning sigter mod at udvide træets eksisterende egenskaber på en sådan måde, at det er velegnet til helt nye anvendelsesområder. For eksempel, de har allerede udviklet højstyrke, vandafvisende og magnetiserbart træ. Nu, sammen med Empa-forskningsgruppen af Francis Schwarze og Javier Ribera, holdet har udviklet en enkel, miljøvenlig proces til at generere elektricitet fra en type træsvamp, som de rapporterede i sidste uge i bladet Videnskabens fremskridt .
Spænding gennem deformation
Hvis du vil producere elektricitet fra træ, den såkaldte piezoelektriske effekt spiller ind. Piezoelektricitet betyder, at en elektrisk spænding skabes ved elastisk deformation af faste stoffer. Dette fænomen udnyttes hovedsageligt af metrologi, som bruger sensorer, der genererer et ladesignal, sige, når en mekanisk belastning påføres. Imidlertid, sådanne sensorer bruger ofte materialer, der er uegnede til brug i biomedicinske applikationer, såsom bly zirconate titanat (PZT), som ikke kan bruges på menneskers hud på grund af det bly, det indeholder. Det gør også den økologiske bortskaffelse af PZT og Co ret vanskelig. At kunne bruge træets naturlige piezoelektriske effekt giver således en række fordele. Hvis man tænker videre, effekten kan også bruges til bæredygtig energiproduktion. Men først og fremmest træ skal have passende egenskaber. Uden særlig behandling, træ er ikke fleksibelt nok; når de udsættes for mekanisk belastning; derfor, kun en meget lav elektrisk spænding genereres i deformationsprocessen.
Fra blok til svamp
Jianguo Sun, en ph.d. elev i Burgerts team, brugt en kemisk proces, der er grundlaget for forskellige 'forfinelser' af træ, som teamet har foretaget i de senere år:delignificering. Træcellevægge består af tre grundmaterialer:lignin, hemicelluloser og cellulose. "Lignin er, hvad et træ primært har brug for for at vokse til store højder. Det ville ikke være muligt uden lignin som et stabiliserende stof, der forbinder cellerne og forhindrer de stive cellulosefibriller i at bukke, " forklarer Burgert. For at omdanne træ til et materiale, der let kan deformeres, lignin skal i det mindste delvist "ekstraheres". Dette opnås ved at placere træ i en blanding af brintoverilte og eddikesyre. Ligninet opløses i dette syrebad, efterlader en ramme af celluloselag. "Vi udnytter træets hierarkiske struktur uden først at opløse det, som det er tilfældet i papirproduktion, for eksempel, og derefter at skulle tilslutte fibrene igen, " siger Burgert. Den resulterende hvide træsvamp består af overlejrede tynde lag cellulose, som nemt kan klemmes sammen og derefter udvide sig tilbage til deres oprindelige form - træet er blevet elastisk.
Sådan fungerer en piezoelektrisk nanogenerator:Efter at den stive træstruktur er blevet opløst, et fleksibelt cellulosenetværk er tilbage. Når dette er klemt, afgifter er adskilt, generere en elektrisk spænding. Kredit:ACS Nano / Empa
El fra trægulve
Burgerts team udsatte testterningen med en sidelængde på omkring 1,5 cm for omkring 600 belastningscyklusser. Materialet viste en fantastisk stabilitet. Ved hver kompression, forskerne målte en spænding på omkring 0,63V - nok til en anvendelse som sensor. I yderligere forsøg, holdet forsøgte at opskalere deres træ nanogeneratorer. For eksempel, de var i stand til at vise, at 30 sådanne træklodser, når den er belastet parallelt med en voksens kropsvægt, kan lyse et simpelt LCD-display op. Det kunne derfor tænkes at udvikle et trægulv, der er i stand til at omsætte energien fra folk, der går på det, til elektricitet. Forskerne testede også egnetheden som tryksensor på menneskelig hud og viste, at den kunne bruges i biomedicinske applikationer.
Ansøgning under forberedelse
Arbejdet beskrevet i Empa-ETH-teamets seneste publikation, imidlertid, går et skridt videre:Målet var at ændre processen på en sådan måde, at den ikke længere kræver brug af aggressive kemikalier. Forskerne fandt en egnet kandidat, der kunne udføre delignificeringen i form af en biologisk proces i naturen:svampen Ganoderma applanatum, årsagerne til hvid råd i træ. "Svampen nedbryder lignin og hemicellulose i træet særligt skånsomt, " siger Empa-forsker Javier Ribera, forklarer den miljøvenlige proces. Hvad mere er, processen kan nemt styres i laboratoriet.
Der er stadig et par skridt, der skal tages, før 'piezo'-træet kan bruges som en sensor eller som et el-genererende trægulv. Men fordelene ved et så enkelt og samtidig vedvarende og bionedbrydeligt piezoelektrisk system er indlysende – og bliver nu undersøgt af Burgert og hans kolleger i et opfølgende projekt. Og for at tilpasse teknologien til industrielle applikationer, forskerne er allerede i dialog med potentielle samarbejdspartnere.