Onderzoekers uit Zwitserland boren een onverwachte energiebron onder onze voeten aan:houten vloeren. Hun nanogenerator, gepresenteerd op 1 september in het tijdschrift Matter , stelt hout in staat om energie op te wekken uit onze voetstappen. Ze verbeterden ook het hout dat in hun nanogenerator werd gebruikt met een combinatie van een siliconencoating en ingebedde nanokristallen, wat resulteerde in een apparaat dat 80 keer efficiënter was - genoeg om led-lampen en kleine elektronica van stroom te voorzien.

Het team begon met het transformeren van hout in een nanogenerator door twee stukken gefunctionaliseerd hout tussen elektroden te plaatsen. Als een sok die zich aan een overhemd vastklampt, vers uit de droger, worden de stukken hout elektrisch geladen door periodieke contacten en scheidingen wanneer erop wordt getrapt, een fenomeen dat het tribo-elektrisch effect wordt genoemd. De elektronen kunnen van het ene object naar het andere worden overgebracht en elektriciteit opwekken. Er is echter één probleem met het maken van een nanogenerator van hout.

"Hout is in principe triboneutraal", zegt senior auteur Guido Panzarasa, groepsleider in het lectoraat Wood Materials Science aan de Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich en de Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschap en technologie (Empa) Dübendorf. "Het betekent dat hout geen echte neiging heeft om elektronen te verwerven of te verliezen." Dit beperkt het vermogen van het materiaal om elektriciteit op te wekken, "dus de uitdaging is om hout te maken dat elektronen kan aantrekken en verliezen", legt Panzarasa uit.

Om de tribo-elektrische eigenschappen van hout te versterken, hebben de wetenschappers een stuk hout gecoat met polydimethylsiloxaan (PDMS), een siliconen die bij contact elektronen opneemt, terwijl het andere stuk hout werd gefunctionaliseerd met in-situ -gegroeide nanokristallen genaamd zeoliet imidazolaat framework-8 (ZIF-8). ZIF-8, een hybride netwerk van metaalionen en organische moleculen, heeft een grotere neiging om elektronen te verliezen. Ze hebben ook verschillende houtsoorten getest om te bepalen of bepaalde houtsoorten of de richting waarin hout wordt gesneden de tribo-elektrische eigenschappen kunnen beïnvloeden door als een betere steiger voor de coating te dienen.

De onderzoekers ontdekten dat een tribo-elektrische nanogenerator gemaakt van radiaal gesneden sparrenhout, een veelvoorkomend hout voor de bouw in Europa, het beste presteerde. Samen hebben de behandelingen de prestaties van de tribo-elektrische nanogenerator verbeterd:het genereerde 80 keer meer elektriciteit dan natuurlijk hout. De elektriciteitsoutput van het apparaat was ook stabiel onder constante krachten gedurende maximaal 1500 cycli.

De onderzoekers ontdekten dat een prototype van een houten vloer met een oppervlakte die iets kleiner is dan een stuk papier, genoeg energie kan produceren om huishoudelijke LED-lampen en kleine elektronische apparaten zoals rekenmachines aan te drijven. Ze verlichtten met succes een gloeilamp met het prototype toen een menselijke volwassene erop liep en voetstappen in elektriciteit veranderde.

"Onze focus was om de mogelijkheid aan te tonen om hout te modificeren met relatief milieuvriendelijke procedures om het tribo-elektrisch te maken", zegt Panzarasa. "Vuren is goedkoop en beschikbaar en heeft gunstige mechanische eigenschappen. De functionaliseringsbenadering is vrij eenvoudig en kan op industrieel niveau schaalbaar zijn. Het is slechts een kwestie van engineering."

De nieuw ontwikkelde nanogenerator is niet alleen efficiënt, duurzaam en schaalbaar, maar behoudt ook de eigenschappen die het hout nuttig maken voor interieurontwerp, waaronder de mechanische robuustheid en warme kleuren. De onderzoekers zeggen dat deze functies het gebruik van houten nanogeneratoren als groene energiebronnen in slimme gebouwen kunnen helpen bevorderen. Ze zeggen ook dat houtconstructie kan helpen de klimaatverandering te verminderen door CO₂ . vast te leggen uit de omgeving gedurende de levensduur van het materiaal.

De volgende stap voor Panzarasa en zijn team is om de nanogenerator verder te optimaliseren met chemische coatings die milieuvriendelijker en gemakkelijker te implementeren zijn. "Hoewel we ons aanvankelijk richtten op fundamenteel onderzoek, zou het onderzoek dat we doen uiteindelijk moeten leiden tot toepassingen in de echte wereld", zegt Panzarasa. "Het uiteindelijke doel is om de mogelijkheden van hout te begrijpen die verder gaan dan de reeds bekende en om hout met nieuwe eigenschappen mogelijk te maken voor toekomstige duurzame slimme gebouwen."