Ingo Burgert en zijn team bij Empa en ETH Zürich hebben het keer op keer bewezen:hout is zoveel meer dan "slechts" een bouwmateriaal. Hun onderzoek is erop gericht de bestaande eigenschappen van hout zodanig uit te breiden dat het geschikt is voor geheel nieuwe toepassingsgebieden. Bijvoorbeeld, ze hebben al een hoge sterkte ontwikkeld, waterafstotend en magnetiseerbaar hout. Nutsvoorzieningen, samen met de Empa-onderzoeksgroep van Francis Schwarze en Javier Ribera, het team heeft een eenvoudige, milieuvriendelijk proces voor het opwekken van elektriciteit uit een soort houtspons, zoals ze vorige week in het journaal meldden wetenschappelijke vooruitgang .

Spanning door vervorming

Als u elektriciteit wilt opwekken uit hout, het zogenaamde piëzo-elektrische effect komt om de hoek kijken. Piëzo-elektriciteit betekent dat een elektrische spanning wordt gecreëerd door de elastische vervorming van vaste stoffen. Dit fenomeen wordt voornamelijk uitgebuit door metrologie, die sensoren gebruikt die een laadsignaal genereren, zeggen, wanneer een mechanische belasting wordt uitgeoefend. Echter, dergelijke sensoren gebruiken vaak materialen die ongeschikt zijn voor gebruik in biomedische toepassingen, zoals loodzirkonaattitanaat (PZT), die niet op de menselijke huid kan worden gebruikt vanwege het lood dat het bevat. Het maakt de ecologische verwijdering van PZT en Co ook nogal lastig. Het gebruik van het natuurlijke piëzo-elektrische effect van hout biedt dus een aantal voordelen. Als er verder wordt nagedacht, het effect zou ook gebruikt kunnen worden voor duurzame energieproductie. Maar allereerst, hout moet de juiste eigenschappen krijgen. Zonder speciale behandeling, hout is niet flexibel genoeg; wanneer onderworpen aan mechanische belasting; daarom, tijdens het vervormingsproces wordt slechts een zeer lage elektrische spanning gegenereerd.

Van blok tot spons

Jianguo zon, een doctoraat student in het team van Burgert, gebruikte een chemisch proces dat de basis vormt voor verschillende 'verfijningen' van hout die het team de afgelopen jaren heeft uitgevoerd:delignificatie. Houten celwanden bestaan ​​uit drie basismaterialen:lignine, hemicellulose en cellulose. “Lignine is wat een boom in de eerste plaats nodig heeft om tot grote hoogte te groeien. Dit zou niet mogelijk zijn zonder lignine als stabiliserende stof die de cellen verbindt en voorkomt dat de stijve cellulosevezels gaan knikken, ", legt Burgert uit. Om hout om te vormen tot een materiaal dat gemakkelijk vervormbaar is, lignine moet op zijn minst gedeeltelijk worden "geëxtraheerd". Dit wordt bereikt door hout in een mengsel van waterstofperoxide en azijnzuur te plaatsen. In dit zuurbad wordt de lignine opgelost, een raamwerk van celluloselagen achterlatend. "We profiteren van de hiërarchische structuur van hout zonder het eerst op te lossen, zoals het geval is bij de papierproductie, bijvoorbeeld, en dan de vezels opnieuw moeten verbinden, ", zegt Burgert. De resulterende witte houtspons bestaat uit over elkaar heen gelegde dunne lagen cellulose die gemakkelijk samen kunnen worden geperst en vervolgens weer uitzetten in hun oorspronkelijke vorm - hout is elastisch geworden.

Elektriciteit van houten vloeren

Het team van Burgert onderwierp de testkubus met een zijlengte van ongeveer 1,5 cm aan ongeveer 600 laadcycli. Het materiaal vertoonde een verbazingwekkende stabiliteit. Bij elke compressie, de onderzoekers maten een spanning van ongeveer 0,63 V, genoeg voor een toepassing als sensor. Bij verdere experimenten, het team probeerde hun houten nanogeneratoren op te schalen. Bijvoorbeeld, ze konden aantonen dat 30 van dergelijke houten blokken, wanneer geladen parallel met het lichaamsgewicht van een volwassene, kan een eenvoudig LCD-scherm oplichten. Het zou daarom denkbaar zijn om een ​​houten vloer te ontwikkelen die de energie van mensen die erop lopen kan omzetten in elektriciteit. De onderzoekers testten ook de geschiktheid als druksensor op de menselijke huid en toonden aan dat deze kan worden gebruikt in biomedische toepassingen.

Aanvraag in voorbereiding

Het werk beschreven in de laatste publicatie van het Empa-ETH-team, echter, gaat nog een stap verder:het doel was om het proces zo aan te passen dat er geen agressieve chemicaliën meer nodig zijn. De onderzoekers vonden een geschikte kandidaat die de delignificatie in de vorm van een biologisch proces in de natuur zou kunnen uitvoeren:de schimmel Ganoderma applanatum, de oorzaken van witrot in hout. "De schimmel breekt lignine en hemicellulose in het hout bijzonder voorzichtig af, " zegt Empa-onderzoeker Javier Ribera, uitleg over het milieuvriendelijke proces. Bovendien, het proces kan eenvoudig worden gecontroleerd in het laboratorium.

Voordat het 'piezo'-hout als sensor of als elektriciteitsopwekkende houten vloer kan worden gebruikt, moeten er nog een aantal stappen worden gezet. Maar de voordelen van zo'n eenvoudig en tegelijkertijd hernieuwbaar en biologisch afbreekbaar piëzo-elektrisch systeem zijn duidelijk - en worden nu onderzocht door Burgert en zijn collega's in een vervolgproject. En om de technologie aan te passen voor industriële toepassingen, de onderzoekers zijn al in gesprek met mogelijke samenwerkingspartners.