Forskare från Schweiz utnyttjar en oväntad energikälla precis under våra fötter:trägolv. Deras nanogenerator, presenterad 1 september i tidskriften Matter , gör det möjligt för trä att generera energi från våra fotfall. De förbättrade också träet som användes i deras nanogenerator med en kombination av en silikonbeläggning och inbäddade nanokristaller, vilket resulterade i en enhet som var 80 gånger effektivare - tillräckligt för att driva LED-glödlampor och liten elektronik.

Teamet började med att omvandla trä till en nanogenerator genom att lägga två stycken funktionaliserat trä mellan elektroderna. Som en strumpa som hänger sig i en skjorta nyss ur torktumlaren laddas träbitarna elektriskt genom periodiska kontakter och separationer när man trampar på dem, ett fenomen som kallas den triboelektriska effekten. Elektronerna kan överföras från ett objekt till ett annat och genererar elektricitet. Det finns dock ett problem med att göra en nanogenerator av trä.

"Trä är i grunden triboneutralt", säger seniorförfattaren Guido Panzarasa, gruppledare i professuren för trämaterialvetenskap vid Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich och Schweiziska federala laboratorier för materialvetenskap och teknik (Empa) Dübendorf. "Det betyder att trä inte har någon egentlig tendens att förvärva eller förlora elektroner." Detta begränsar materialets förmåga att generera elektricitet, "så utmaningen är att tillverka trä som kan attrahera och förlora elektroner", förklarar Panzarasa.

För att förstärka träets triboelektriska egenskaper belade forskarna en bit av träet med polydimetylsiloxan (PDMS), ett silikon som får elektroner vid kontakt, samtidigt som de funktionaliserade den andra träbiten med in-situ -odlade nanokristaller som kallas zeolitisk imidazolat-ramverk-8 (ZIF-8). ZIF-8, ett hybridnätverk av metalljoner och organiska molekyler, har en högre tendens att förlora elektroner. De testade också olika typer av trä för att avgöra om vissa träslag eller riktningen som trä skärs i kan påverka dess triboelektriska egenskaper genom att fungera som en bättre ställning för beläggningen.

Forskarna fann att en triboelektrisk nanogenerator gjord av radiellt skuren gran, ett vanligt träslag för konstruktion i Europa, presterade bäst. Tillsammans höjde behandlingarna den triboelektriska nanogeneratorns prestanda:den genererade 80 gånger mer elektricitet än naturligt trä. Enhetens eleffekt var också stabil under konstanta krafter i upp till 1 500 cykler.

Forskarna fann att en trägolvprototyp med en yta som är något mindre än ett papper kan producera tillräckligt med energi för att driva hushålls LED-lampor och små elektroniska enheter som miniräknare. De tände framgångsrikt en glödlampa med prototypen när en vuxen människa gick på den och förvandlade fotsteg till elektricitet.

"Vårt fokus var att demonstrera möjligheten att modifiera trä med relativt miljövänliga procedurer för att göra det triboelektriskt", säger Panzarasa. "Gran är billigt och tillgängligt och har gynnsamma mekaniska egenskaper. Funktionaliseringsmetoden är ganska enkel och kan skalbar på industriell nivå. Det är bara en fråga om ingenjörskonst."

Förutom att vara effektiv, hållbar och skalbar, bevarar den nyutvecklade nanogeneratorn också de egenskaper som gör träet användbart för inredning, inklusive dess mekaniska robusthet och varma färger. Forskarna säger att dessa funktioner kan bidra till att främja användningen av trä nanogeneratorer som gröna energikällor i smarta byggnader. De säger också att träkonstruktion kan bidra till att mildra klimatförändringarna genom att binda CO₂ från miljön under hela materialets livslängd.

Nästa steg för Panzarasa och hans team är att ytterligare optimera nanogeneratorn med kemiska beläggningar som är mer miljövänliga och lättare att implementera. "Även om vi från början fokuserade på grundforskning, så borde den forskning vi gör så småningom leda till tillämpningar i den verkliga världen", säger Panzarasa. "Det yttersta målet är att förstå potentialen hos trä utöver de som redan är kända och att möjliggöra trä med nya egenskaper för framtida hållbara smarta byggnader."