Исследователи из Швейцарии используют неожиданный источник энергии прямо у нас под ногами: деревянные полы. Их наногенератор, представленный 1 сентября в журнале Matter , позволяет древесине вырабатывать энергию от наших шагов. Они также улучшили древесину, используемую в их наногенераторе, за счет комбинации силиконового покрытия и встроенных нанокристаллов, в результате чего получилось устройство, которое было в 80 раз более эффективным — достаточным для питания светодиодных лампочек и небольшой электроники.
Этот графический аннотация показывает, как следы на функциональных деревянных полах могут использоваться для питания небольших устройств. Предоставлено: Sun et al./Matter.
Команда начала с преобразования дерева в наногенератор, вставив два куска функционализированной древесины между электродами. Деревянные части становятся электрически заряженными из-за периодических контактов и разделений при наступлении на них — явление, называемое трибоэлектрическим эффектом . Электроны могут переходить от одного объекта к другому, генерируя электричество. Однако есть одна проблема с изготовлением наногенератора из дерева.
«Древесина в основном трибонейтральна», — говорит старший автор Гвидо Панзараса, руководитель группы профессоров наук о древесных материалах в Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) в Цюрихе и Швейцарских федеральных лабораториях материаловедения и технологий (Empa) в Дюбендорфе. «Это означает, что древесина не имеет реальной тенденции приобретать или терять электроны». Это ограничивает способность материала генерировать электричество, «поэтому проблема состоит в том, чтобы сделать дерево, которое способно притягивать и терять электроны», — объясняет Панзараса.
Чтобы улучшить трибоэлектрические свойства древесины, ученые покрыли один кусок дерева полидиметилсилоксаном (ПДМС), силиконом, который приобретает электроны при контакте, в то же время функционализировав другой кусок дерева нанокристаллами, выращенными на месте, называемыми цеолитным имидазолатным каркасом-8 (ZIF -8). ZIF-8, гибридная сеть из ионов металлов и органических молекул, имеет более высокую тенденцию к потере электронов. Они также протестировали различные типы древесины, чтобы определить, могут ли определенные породы или направление резки древесины влиять на ее трибоэлектрические свойства, служа лучшей основой для покрытия.
Исследователи обнаружили, что трибоэлектрический наногенератор, сделанный из радиально обрезанной ели, обычной древесины для строительства в Европе, показал наилучшие результаты. Вместе эти обработки повысили производительность трибоэлектрического наногенератора: он генерировал в 80 раз больше электроэнергии, чем натуральное дерево. Электроэнергия устройства была стабильной при постоянных нагрузках до 1500 циклов.
Исследователи обнаружили, что прототип деревянного пола с площадью поверхности немного меньше листа бумаги может производить достаточно энергии для питания бытовых светодиодных ламп и небольших электронных устройств, таких как калькуляторы. Они успешно зажгли лампочку с помощью прототипа, когда взрослый человек прошел по нему, превратив шаги в электричество.
«Нашей целью было продемонстрировать возможность модификации древесины с помощью относительно безвредных для окружающей среды процедур, чтобы сделать ее трибоэлектрической», — говорит Панзараса. «Ель дешевая, доступная и обладает хорошими механическими свойствами. Подход к функционализации довольно прост, и его можно масштабировать на промышленном уровне. Это только вопрос инженерии».
Помимо эффективности, устойчивости и масштабируемости, недавно разработанный наногенератор также сохраняет свойства, которые делают древесину полезной для дизайна интерьера, в том числе ее механическую прочность и теплые цвета. Исследователи говорят, что эти особенности могут способствовать использованию древесных наногенераторов в качестве источников зеленой энергии в умных зданиях. Они также говорят, что деревянные конструкции могут помочь смягчить последствия изменения климата , улавливая CO2 из окружающей среды на протяжении всего срока службы материала.
Следующим шагом Панзараса и его команды является дальнейшая оптимизация наногенератора с помощью химических покрытий, которые являются более экологичными и простыми в применении. «Несмотря на то, что изначально мы сосредоточились на фундаментальных исследованиях, в конечном итоге проводимые нами исследования должны привести к применению в реальном мире», — говорит Панзараса. «Конечная цель — понять потенциальные возможности древесины, выходящие за рамки уже известных, и придать древесине новые свойства для будущих устойчивых умных зданий».
Дополнительная информация: Matter , Sun et al .: «Функционализированная древесина с настраиваемой трибо-полярностью для эффективных трибоэлектрических наногенераторов» www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00393-3 , DOI: 10.1016 / j.matt .2021.07.022
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК