In een recent rapport over Natuurcommunicatie , Wentao Gan en een team van onderzoekers van de afdelingen materiaalkunde en techniek in de VS hebben het gebruik van een ultradunne film van natuurlijk hout beschreven om een ​​audioluidspreker te maken. Het construct vertoonde uitstekende mechanische eigenschappen, waaronder een hoge treksterkte en een verhoogde Young's modulus. De eigenschappen van ultradunne dikte en uitzonderlijke mechanische sterkte maakten uitstekende akoestische eigenschappen mogelijk met een hogere resonantiefrequentie en grotere verplaatsingsamplitude in vergelijking met een commercieel polypropyleenmembraan in een audioluidspreker. Als proof-of-concept, Gan et al. direct gebruikt de ultradunne houtfilm als diafragma in een echte luidspreker om muziek uit te zenden. De oppervlakken met uitstekende mechanische eigenschappen en akoestische prestaties waren een veelbelovende kandidaat om akoestische luidsprekers van de volgende generatie te bouwen.

Dunne films met een dikte van microns tot nanometers hebben multifunctionele toepassingen in zonnecellen, de verpakking van levensmiddelen, water behandeling, persoonlijke elektronica en als akoestische sensoren. Akoestische membranen zijn doorgaans erg dun (micronschaal) en mechanisch robuust met een hoge modulus om een ​​zeer gevoelige frequentierespons en een hoge trillingsamplitude mogelijk te maken. Natuurkundigen en ingenieurs hebben de afgelopen decennia enorme inspanningen geleverd om een ​​verscheidenheid aan akoestische dunnefilmmaterialen te ontwikkelen op basis van plastic, metaal, keramiek en carbon om de geluidskwaliteit te verbeteren.

Plastic dunne films worden alom gebruikt in commerciële luidsprekers vanwege de lage kosten en het gemak van fabricage, echter, ze hebben een enorme impact op het milieu door ineffectieve degradatie. Metaal, keramische en op koolstof gebaseerde materialen vertonen ook een hogere modulus in vergelijking met plastic film om de frequentierespons van het akoestische membraan te verbeteren. Deze componenten zijn over het algemeen duurder en vereisen complexe, energieverbruikende productieprocessen. Als resultaat, is het wenselijk om een ​​biologisch afbreekbaar, akoestische dunne film voor groene en kosteneffectieve toepassingen.

Morfologie en chemische karakterisering van de houtfilms

Natuurlijke materialen op basis van cellulose zoals bagasse, houtvezels, chitine, katoen, bacteriële cellulose en lignocellulose bieden een milieuvriendelijk platform om snel dunne films te produceren zonder gebruik te maken van beperkte fossiele bronnen. De natuurlijke structuur van hout is een effectief alternatief voor meer schaalbare en mechanisch robuuste cellulosefilms. Hout kan worden gebruikt als een steiger om dunne films te construeren in een top-down benadering in een schaalbaar en kosteneffectief proces in vergelijking met bottom-up methoden. Het handhaven van de uitlijning van cellulosevezels zal robuuste mechanische eigenschappen in het resulterende materiaal mogelijk maken. Hout is ook hernieuwbaar, biologisch afbreekbaar en ecologisch duurzaam in vergelijking met kunststoffen en metaal.

Om de ultradunne film met een dikte van slechts 8,5 micrometer in het huidige werk te bouwen, Gan et al. gedeeltelijk verwijderde lignine (delignificatie) en hemicellulose uit natuurlijk balsahout. Ze genereerden een zeer poreus materiaal, die het grootste deel van de cellulose in de celwanden vasthield, gevolgd door het verhogen van de dichtheid van behandeld hout door heet persen voor een diktevermindering van 97 procent. De dicht opeengepakte houten celwandstructuur gecombineerd met hoog uitgelijnde cellulosevezels, bijgedragen aan superieure treksterkte en hoge Young's modulus. Het onderzoeksteam gebruikte industriële snijmethoden om in het laboratorium een ​​meterslange natuurlijke balsahoutfilm te ontwikkelen om het potentieel van het materiaal voor grootschalige productie via een top-downbenadering te onthullen.

Mechanische eigenschappen van de houtfilms

Gan et al. sneed het natuurlijke hout in de lengterichting om de kanaalstructuur te behouden en observeerde de microscopische structuren met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM). De cellulose-nanovezels in de ultradunne houtfilm bleven sterk georiënteerd maar dichter gelamineerd in vergelijking met natuurlijk hout. Röntgendiffractie (XRD) analyse duidde op behoud van de moleculaire uitlijning en kristalstructuur van de cellulose nanovezels, wat belangrijk was voor de mechanische eigenschappen van het materiaal.

Om de mechanische eigenschappen van het materiaal te begrijpen, het onderzoeksteam voerde mechanische trekproeven uit. Ultradun hout vertoonde een sterk verbeterd mechanisch gedrag in vergelijking met natuurlijk hout, met verhoogde breuksterkte tot 342 MPa en Young's modulus van 43,65 GPa. Deze waarden wezen op een bijna 20-voudige verbetering in treksterkte en 35-voudige verbetering in Young's modulus in vergelijking met natuurlijk hout.

De wetenschappers wilden graag de onderliggende mechanismen begrijpen. Voor deze, ze gebruikten SEM-waarnemingen en toonden na trekproeven een poreuze microstructuur met talrijke houtkanalen in de natuurlijke houtschijf aan. De functie maakte het gemakkelijker om losjes geassembleerd hout te trekken tijdens het spannen; wat de van nature lage waargenomen breuksterkte verklaart. In tegenstelling tot, houtcelwanden binnen de synthetische ultradunne houtfilm vormden waterstofbruggen tussen de stevig samengeperste cellulose-nanovezels na verdichting; meer energie nodig hebben om uit elkaar te worden getrokken.

De hoge treksterkte en Young's modulus van de ultradunne film overtroffen ook de typische plastic en natuurlijke biomaterialen om de uitstekende mechanische eigenschappen te valideren. Dankzij de uitzonderlijke flexibiliteit en opvouwbaarheid konden onderzoeksteams verschillende origami-ontwerpen ontwikkelen. In tegenstelling tot, het broze natuurlijke hout vertoonde een dergelijke kneedbaarheid niet. De opvouwbaarheid benadrukte ook het potentiële gebruik van de ultradunne houtfilms voor fotonica, akoestische sensoren en flexibele elektronische apparaten. De hoge Young's modulus en ultradunne aard van de houtfilm hielpen de resonantiefrequentie te verhogen en de verplaatsingsamplitude van de diafragmatrilling te verbeteren. Deze eigenschappen waren zeer geschikt voor de toepassingen van de ultradunne houtfilm als diafragma voor akoestische transducers met een brede werkingsbandbreedte, met hoge gevoeligheid voor microfoons en hoge geluidsdrukniveaus voor luidsprekers.

Het nieuwe construct vormde een aantrekkelijk alternatief voor conventionele polymeerfilms, waardoor de ultradunne houtfilm zeer geschikt wordt voor akoestische transducers met een brede werkingsbandbreedte, hoge gevoeligheid en hoge geluidsdrukniveaus. Om de eigenschappen van verhoogde resonantiefrequentie en verplaatsing te bevestigen, het team testte de frequentierespons van het ultradunne hout in vergelijking met een conventionele polymeerfilm. De resultaten waren zeer wenselijk als hoogwaardige akoestische transducers.

Gan et al. toonde veelbelovende toepassingen van de ultradunne houtfilms als akoestische transducer om een ​​miniatuurluidspreker samen te stellen. Het prototype bevatte een houten diafragma en een printplaat met een miniatuurluidspreker, met een koperen spoel en een permanente magneet. De opstelling vergemakkelijkte het inwerken van elektromagnetische krachten op de spoel en zorgde ervoor dat het diafragma heen en weer trilde. Ze vertaalden het elektrische signaal in een hoorbaar geluid, als gevolg van de luchtdruk veroorzaakt door het diafragma en nam het hoorbare geluid van het luidsprekerprototype op met behulp van een microfoon en geluidsgolf, die ze analyseerden met Adobe Audition CC. Het onderzoeksteam gebruikte de spreker om een ​​opname van de Spain Matador March af te spelen. Ze verwachten het ontwerp van de diafragmastructuur en de precieze assemblages binnen het bestaande industriële proces verder te verbeteren. De duurzame technologie kan vertaald worden in de fabricage van microfoons, hoortoestellen en akoestische sensoren.

Op deze manier, Wentao Gan en collega's ontwikkelden en demonstreerden een effectieve top-downstrategie om een ​​ultradunne houtfilm van minder dan 10 micrometer dik te maken nadat natuurlijk hout werd onderworpen aan delignificatie en verdichting. Ze observeerden een unieke microstructuur voor de ultradunne houtfilm met met elkaar verweven houtcelwanden en uitgelijnde cellulose-nanovezels, wat bijdroeg aan uitstekende mechanische eigenschappen in verhouding tot verbeterde treksterkte en Young's modulus. Het onderzoeksteam bereikte een hoogwaardige akoestische transducer met verhoogde resonantiefrequentie en verbeterde verplaatsingsamplitude. Het groene luidsprekerprototype genereerde muziek dankzij trillingen van het ultradunne houten diafragma met brede akoestische toepassingen van het materiaal. Het onderzoeksteam voorziet dat de techniek extra functies en toepassingen zal openen voor sterke filmmaterialen met behulp van duurzame en biologisch afbreekbare natuurlijke hulpbronnen om plastic te vervangen, metaal en keramiek.

© 2019 Wetenschap X Netwerk