Svepelektronmikroskopi (SEM) bilder av balsaträ (vänster) och delignifierat trä illustrerar de strukturella förändringarna. Kredit:ACS Nano / Empa
Ingo Burgert och hans team på Empa och ETH Zürich har bevisat det gång på gång:Trä är så mycket mer än "bara" ett byggmaterial. Deras forskning syftar till att utöka träets befintliga egenskaper på ett sådant sätt att det lämpar sig för helt nya användningsområden. Till exempel, de har redan utvecklat höghållfasthet, vattenavvisande och magnetiserbart trä. Nu, tillsammans med forskargruppen Empa av Francis Schwarze och Javier Ribera, teamet har utvecklat en enkel, miljövänlig process för att generera elektricitet från en typ av träsvamp, som de rapporterade förra veckan i tidningen Vetenskapens framsteg .
Spänning genom deformation
Om du vill generera el från ved, den så kallade piezoelektriska effekten spelar in. Piezoelektricitet innebär att en elektrisk spänning skapas av den elastiska deformationen av fasta ämnen. Detta fenomen utnyttjas främst av metrologi, som använder sensorer som genererar en laddningssignal, säga, när en mekanisk belastning appliceras. Dock, sådana sensorer använder ofta material som är olämpliga för användning i biomedicinska tillämpningar, såsom blyzirkonattitanat (PZT), som inte kan användas på mänsklig hud på grund av blyet den innehåller. Det gör också det ekologiska bortskaffandet av PZT och Co ganska knepigt. Att kunna använda träets naturliga piezoelektriska effekt ger alltså en rad fördelar. Om man tänker vidare, effekten skulle också kunna användas för hållbar energiproduktion. Men först och främst, trä måste ges lämpliga egenskaper. Utan särskild behandling, trä är inte tillräckligt flexibelt; när den utsätts för mekanisk påfrestning; därför, endast en mycket låg elektrisk spänning genereras i deformationsprocessen.
Från block till svamp
Jianguo Sun, en Ph.D. student i Burgerts team, använt en kemisk process som ligger till grund för olika "förfinningar" av trä som teamet har genomfört de senaste åren:delignifiering. Träcellväggar består av tre grundmaterial:lignin, hemicellulosa och cellulosa. "Lignin är vad ett träd behöver i första hand för att växa till stora höjder. Detta skulle inte vara möjligt utan lignin som ett stabiliserande ämne som binder samman cellerna och förhindrar att de stela cellulosafibrillerna bucklas, " förklarar Burgert. För att förvandla trä till ett material som lätt kan deformeras, lignin måste åtminstone delvis "extraheras". Detta uppnås genom att placera trä i en blandning av väteperoxid och ättiksyra. Ligninet löses i detta sura bad, lämnar ett ramverk av cellulosaskikt. "Vi drar fördel av träets hierarkiska struktur utan att först lösa det, som fallet är inom papperstillverkning, till exempel, och sedan måste återansluta fibrerna, " säger Burgert. Den resulterande vita träsvampen består av överlagrade tunna lager av cellulosa som lätt kan pressas ihop och sedan expandera tillbaka till sin ursprungliga form - trä har blivit elastiskt.
Så här fungerar en piezoelektrisk nanogenerator:Efter att den stela trästrukturen har lösts upp, ett flexibelt cellulosanätverk kvarstår. När detta är klämt, avgifter separeras, genererar en elektrisk spänning. Kredit:ACS Nano / Empa
El från trägolv
Burgerts team utsatte testkuben med en sidolängd på cirka 1,5 cm för cirka 600 belastningscykler. Materialet visade en fantastisk stabilitet. Vid varje kompression, forskarna mätte en spänning på cirka 0,63V – tillräckligt för en applikation som sensor. I ytterligare experiment, teamet försökte skala upp sina nanogeneratorer i trä. Till exempel, de kunde visa att 30 sådana träblock, när den belastas parallellt med en vuxens kroppsvikt, kan lysa upp en enkel LCD-skärm. Det skulle därför vara tänkbart att utveckla ett trägolv som är kapabelt att omvandla energin från människor som går på det till elektricitet. Forskarna testade också lämpligheten som trycksensor på mänsklig hud och visade att den kunde användas i biomedicinska tillämpningar.
Ansökan under förberedelse
Arbetet som beskrivs i Empa-ETH-teamets senaste publikation, dock, går ett steg längre:Syftet var att modifiera processen på ett sådant sätt att den inte längre kräver användning av aggressiva kemikalier. Forskarna hittade en lämplig kandidat som kunde utföra delignifieringen i form av en biologisk process i naturen:svampen Ganoderma applanatum, orsakerna till vitröta i trä. "Svampen bryter ner lignin och hemicellulosa i träet särskilt skonsamt, " säger Empa-forskaren Javier Ribera, förklarar den miljövänliga processen. Vad mer, processen kan enkelt kontrolleras i labbet.
Det återstår fortfarande några steg innan "piezo"-träet kan användas som en sensor eller som ett elgenererande trägolv. Men fördelarna med ett så enkelt och samtidigt förnybart och biologiskt nedbrytbart piezoelektriskt system är uppenbara – och utreds nu av Burgert och hans kollegor i ett uppföljningsprojekt. Och för att anpassa tekniken för industriella tillämpningar, forskarna är redan i samtal med potentiella samarbetspartners.
