Швейцарські вчені розробили метод виробництва електрики з дерева
18-03-2021, 07:30
Дослідники з Державного дослідницького університету ETH Zurich і швейцарської Федеральної лабораторії Empa змінили хімічний склад матеріалу.
Вчені хімічно модифікували деревину і зробили її більш стиснутою, перетворивши у міні-генератор. При стисненні він генерує електричну напругу. Така деревина може служити біосенсором або будівельним матеріалом, який збирає енергію.
Інго Бюргерт і його команда з ETH Zurich і Empa довели, що деревина - це набагато більше, ніж просто будівельний матеріал. Їх дослідження покращують властивості деревини, щоб використовувати її для нових застосувань. Наприклад, вони вже розробили високоміцну, водовідштовхувальну і намагнічувану деревину.
Тепер, разом з дослідницькою групою Empa під керівництвом Френсіса Шварца, команда використовувала один хімічний та один біологічний процес для отримання електричної напруги з деревної губки. При цьому вони підсилюють так званий "п'єзоелектричний ефект" деревини.
Коли п'єзоелектричний матеріал пружно деформується, він генерує електричну напругу. «Дерево також має природний п'єзоелектричний ефект, але генерує лише дуже низьку електричну напругу, - зазначають вчені. - Якщо ви хочете збільшити напругу, хімічний склад деревини повинен бути змінений - і це також робить його більш стиснутим».
Щоб перетворити деревину в легко формований матеріал, один з компонентів клітинних стінок необхідно розчинити. Клітинні стінки деревини складаються з трьох основних речовин: лігніну, геміцелюлози і целюлози, – пояснює Інго Бюргерт. - Лігнін - це стабілізуюча речовина, необхідна деревам для росту, без лігніну, який зв'язує клітини і запобігає згинанню жорстких целюлозних фібрил, це було б неможливо".
Деревина може бути деформована, якщо лігнін видалений хімічним шляхом. В результаті посилюється п'єзоелектричний ефект матеріалу.
Дослідники домоглися цієї "делігніфікації", помістивши деревину у суміш перекису водню і оцтової кислоти. Кислота розчиняє лігнін, залишаючи каркас з шарів целюлози. "Цей процес зберігає ієрархічну структуру деревини і запобігає поділу на окремі волокна", - пояснює Іного Бюргерт.
Таким чином, шматок бальзового дерева перетворюється на білу дерев'яну губку, що складається з шару за шаром тонкої целюлози. Губку можна просто стиснути, а потім повернути їй первісну форму. "Деревна губка генерує електричну напругу у 85 разів вище, ніж звичайна(необроблена) деревина", - говорить один розробників Цзянго Сун.
Навіть невеликий тиск може генерувати корисну енергію у дерев'яній губці.
Команда піддала випробувальний куб з довжиною сторони близько 1,5 см приблизно 600 циклам навантаження. Дерев'яна губка виявилася напрочуд стабільною: для кожного навантаження дослідники вимірювали напругу приблизно 0,63 вольта, що цілком відповідало матеріалам, які використовуються у датчиках. У подальших експериментах команда перевірила масштабованість цього міні-генератора. Якщо 30 таких дерев'яних блоків з'єднані і рівномірно навантажені вагою тіла дорослої людини, виробляється достатньо електрики для живлення простого рідкокристалічного дисплея.
У подальшому дослідженні, щойно опублікованому в журналі Science Advances, дослідницька група ETH-Empa пішла ще далі, прагнучи виготовити дерев'яну губку без використання хімічних речовин. Дослідники знайшли рішення у природі: гриб Ganoderma applanatum викликає білу гниль у деревині і м'яко розкладає лігнін і геміцелюлозу. "Хоча електрична напруга, що генерується при початкових випробуваннях, була нижчою, ніж при хімічно обробленій деревині, грибковий процес є більш екологічним", - говорить Інго Бюргерт.
У такої простої, відновлюваної п'єзоелектричної системи є явні переваги. Дослідники бачать різні потенційні сфери застосування деревних губок - наприклад, у якості стійких будівельних матеріалів, які збирають енергію у фазі використання або зручних для шкіри датчиків тиску у медичних цілях.
Однак ще належить зробити кілька кроків, перш ніж п'єзодерево можна буде використовувати у якості біосенсора або навіть у якості паркетної підлоги для збору електроенергії. В даний час Інго Бюргерт і його колеги спільно з різними партнерами вивчають, як адаптувати цю технологію для промислового застосування.
Джерело
Вернуться назад