I en färsk rapport om Naturkommunikation , Wentao Gan och ett team av forskare vid institutionerna för materialvetenskap och teknik i USA har detaljerat hur man använder en ultratunn film av naturligt trä för att skapa en ljudhögtalare. Konstruktionen uppvisade utmärkta mekaniska egenskaper inklusive hög draghållfasthet och ökad Youngs modul. Egenskaperna med ultratunn tjocklek och exceptionell mekanisk styrka möjliggjorde utmärkta akustiska egenskaper med högre resonansfrekvens och större förskjutningsamplitud jämfört med ett kommersiellt polypropenmembran i en högtalare. Som proof of concept, Gan et al. använde direkt den ultratunna träfilmen som ett membran i en riktig högtalare för att avge musik. Ytorna med utmärkta mekaniska egenskaper och akustiska prestanda var en lovande kandidat för att bygga nästa generations akustiska högtalare.

Tunna filmer i skalan från mikron till nanometer i tjocklek har multifunktionella tillämpningar i solceller, Matförpackning, vattenbehandling, personlig elektronik och som akustiska sensorer. Akustiska membran är vanligtvis mycket tunna (mikronskala) och mekaniskt robusta med en hög modul för att tillåta ett mycket känsligt frekvenssvar och hög vibrationsamplitud. Fysiker och ingenjörer har ägnat enorma ansträngningar under de senaste decennierna för att utveckla en mängd olika akustiska tunnfilmsmaterial baserade på plast, metall, keramik och kol för att förbättra ljudkvaliteten.

Tunna plastfilmer används överallt i kommersiella högtalare på grund av låg kostnad och enkel tillverkning, dock, de medför en enorm miljöpåverkan på grund av ineffektiv nedbrytning. Metall, keramiska och kolbaserade material uppvisar också högre modul jämfört med plastfilm för att förbättra det akustiska membranets frekvensrespons. Dessa komponenter kostar vanligtvis högre och kräver komplexa, energikrävande tillverkningsprocesser. Som ett resultat, det är önskvärt att utveckla en biologiskt nedbrytbar, akustisk tunn film för gröna och kostnadseffektiva applikationer.

Morfologi och kemisk karakterisering av träfilmerna

Naturliga cellulosabaserade material som bagasse, träfibrer, kitin, bomull, bakteriell cellulosa och lignocellulosa ger en miljövänlig plattform för att snabbt tillverka tunna filmer utan att använda begränsade fossila resurser. Träets naturliga struktur är ett effektivt alternativ för mer skalbara och mekaniskt robusta cellulosafilmer. Trä kan användas som ställning för att konstruera tunna filmer i ett uppifrån-och-ned-tillvägagångssätt i en skalbar och kostnadseffektiv process jämfört med bottom-up-metoder. Att bibehålla inriktningen av cellulosafibrer tillåter robusta mekaniska egenskaper i det resulterande materialet. Trä är också förnybart, biologiskt nedbrytbart och miljömässigt hållbart jämfört med plast och metall.

För att bygga den ultratunna filmen med en tjocklek så låg som 8,5 mikrometer i detta arbete, Gan et al. delvis avlägsnat lignin (delignifiering) och hemicellulosa från naturligt balsaträ. De genererade ett mycket poröst material, som behöll det mesta av cellulosa i cellväggarna, följt av att densiteten hos behandlat trä ökas genom varmpressning för en tjockleksminskning på 97 procent. Den tätt packade träcellväggstrukturen i kombination med högt anpassade cellulosafibrer, bidrog till överlägsen draghållfasthet och hög Youngs modul. Forskargruppen använde industribaserade skärmetoder för att utveckla en meterlång naturlig balsaträfilm i labbet för att avslöja materialets potential för storskalig tillverkning via en top-down-strategi.

Mekaniska egenskaper hos träfilmerna

Gan et al. kapade det naturliga träet längs dess längdriktning för att bibehålla kanalstrukturen och observerade de mikroskopiska strukturerna med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM). Cellulosananofibrerna i den ultratunna träfilmen förblev mycket orienterade men tätare laminerade jämfört med naturligt trä. Röntgendiffraktionsanalys (XRD) indikerade bibehållande av den molekylära inriktningen och kristallstrukturen hos cellulosananofibrerna, vilket var viktigt för materialets mekaniska egenskaper.

För att förstå materialets mekaniska egenskaper, forskargruppen genomförde mekaniska dragprover. Ultratunt trä visade avsevärt förbättrat mekaniskt beteende jämfört med naturligt trä, med ökad brotthållfasthet på upp till 342 MPa och Youngs modul på 43,65 GPa. Dessa värden indikerade en nästan 20-faldig förbättring av draghållfasthet och 35-faldig förbättring av Youngs modul jämfört med naturligt trä.

Forskarna var angelägna om att förstå de underliggande mekanismerna. För detta, de använde SEM-observationer och visade en porös mikrostruktur med många träkanaler i den naturliga träskivan efter dragförsök. Funktionen gjorde det lättare att dra löst sammansatt trä under spänning; förklarar den naturligt låga brottstyrkan som observerats. I kontrast, träcellväggar inom den syntetiska ultratunna träfilmen bildade vätebindningar mellan de fast komprimerade cellulosananofibrerna efter förtätning; kräver högre energi för att dras isär.

Akustik och vibrationsbeteende hos träfilmer

Den höga draghållfastheten och Youngs modul för den ultratunna filmen översteg också typiska plast- och naturliga biomaterial för att validera dess utmärkta mekaniska egenskaper. Den exceptionella flexibiliteten och vikbarheten gjorde det möjligt för forskarteam att utveckla en mängd olika origamidesigner. I kontrast, det spröda naturliga träet visade inte en sådan formbarhet. Vikbarheten lyfte också fram potentiella användningsområden för de ultratunna träfilmerna för fotonik, akustiska sensorer och flexibla elektroniska enheter. Den höga Youngs modul och ultratunna karaktär av träfilmen bidrog till att öka resonansfrekvensen och förbättra förskjutningsamplituden för membranvibrationen. Dessa egenskaper lämpade sig starkt för den ultratunna träfilmens applikationer som ett membran för akustiska givare med en bred operationsbandbredd, med hög känslighet för mikrofoner och höga ljudtrycksnivåer för högtalare.

Den nya konstruktionen utgjorde ett attraktivt alternativ till konventionella polymerfilmer, gör det möjligt för den ultratunna träfilmen att bli mycket lämplig för akustiska givare med en bred operationsbandbredd, hög känslighet och höga ljudtrycksnivåer. För att bekräfta egenskaperna hos ökad resonansfrekvens och förskjutning, teamet testade frekvenssvaret för det ultratunna träet jämfört med en konventionell polymerfilm. Resultaten var mycket önskvärda som högpresterande akustiska givare.

Gan et al. demonstrerade lovande tillämpningar av de ultratunna träfilmerna som en akustisk givare för att montera en miniatyrhögtalare. Prototypen innehöll ett trämembran och ett kretskort med en miniatyrhögtalare, som innehåller en kopparspole och permanentmagnet. Uppställningen underlättade elektromagnetiska krafter att verka på spolen och få membranet att vibrera fram och tillbaka. De översatte den elektriska signalen till ett hörbart ljud, som ett resultat av lufttrycket som orsakas av membranet och spelade in det hörbara ljudet från högtalarprototypen med hjälp av en mikrofon och ljudvåg, som de analyserade med Adobe Audition CC. Forskargruppen använde talaren för att spela upp en inspelning av Spain Matador March. De förväntar sig att ytterligare förbättra designen av membranstrukturen och exakta sammansättningar inom den befintliga industriella processen. Den hållbara tekniken kan översättas till tillverkning av mikrofoner, hörapparater och akustiska sensorer.

På det här sättet, Wentao Gan och kollegor utvecklade och demonstrerade en effektiv top-down-strategi för att konstruera en ultratunn träfilm som är mindre än 10 mikrometer i tjocklek efter att ha utsatt naturligt trä för delignifiering och förtätning. De observerade en unik mikrostruktur för den ultratunna träfilmen med sammanflätade träcellväggar och inriktade cellulosananofibrer, vilket bidrog till enastående mekaniska egenskaper i förhållande till förbättrad draghållfasthet och Youngs modul. Forskargruppen uppnådde en högpresterande akustisk givare med ökad resonansfrekvens och förbättrad förskjutningsamplitud. Den gröna högtalarprototypen genererade musik på grund av vibrationer från det ultratunna trämembranet med omfattande akustiska tillämpningar av materialet. Forskargruppen föreställer sig att tekniken kommer att öppna ytterligare funktioner och applikationer för starka filmmaterial som använder hållbara och biologiskt nedbrytbara naturresurser för att ersätta plast, metall och keramik.

© 2019 Science X Network