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新工艺让木材变得有弹性可发电

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Empa和苏黎世联邦理工学院的研究人员将木材变得可压缩,并将其变成一个微型发电机。当它被加载时,就会产生电压。通过这种方式,木材可以作为生物传感器或产生可用的能源。为了确保这个过程不需要腐蚀性的化学品,自然产生的木材降解真菌接管了改造木材的任务。

Ingo Burgert和他在Empa和苏黎世联邦理工学院的团队已经一次次证明了这一点。木材不仅仅是一种建筑材料。他们的研究旨在扩展木材的现有特性,使其适合全新的应用范围。例如,他们已经开发出高强度、防水、可磁化的木材。现在,该团队与Francis Schwarze和Javier Ribera组成的Empa研究小组一起,开发出了一种简单、环保的从一种木质海绵中发电的工艺,他们上周在《科学进展》杂志上进行了报道。

如果你想用木材发电,所谓的压电效应就会发挥作用。压电效应是指通过固体的弹性变形产生电电压。这种现象主要被计量学所利用,计量学使用的传感器会产生电荷信号,比如说,当机械负载被施加时,就会产生电荷信号。

然而,这种传感器通常使用的材料不适合用于生物医学应用,例如锆钛酸铅(PZT),由于其含有铅,不能用于人体皮肤。这也使得PZT和Co的生态处理相当棘手。因此,能够利用木材的天然压电效应,具有很多优势。如果进一步思考,这种效应也可以用于可持续的能源生产。但首先,必须赋予木材适当的特性。如果没有经过特殊处理,木材的柔韧性不够;当受到机械应力时;因此,在变形过程中只会产生很低的电压。

伯格特团队的博士生Jianguo Sun使用了一种化学工艺,这也是该团队近年来对木材进行各种 “改良 “的基础:脱木质化。木材细胞壁由三种基本材料组成:木质素、半纤维素和纤维素。刚性的木质结构被溶解后 剩下的是柔韧的纤维素网络,当这个网络受到挤压时,电荷被分离,产生电压。为了将木材转化为易于变形的材料,木质素必须至少被部分 “提取”。这是通过将木材置于过氧化氢和乙酸的混合物中来实现的。木质素在这个酸浴中被溶解,留下一个纤维素层的框架。

研究人员利用了木材的层次结构,由此产生的白色木质海绵由叠加的薄层纤维素组成,这些纤维素可以很容易地被挤压在一起,然后膨胀回原来的形态,木材变得有弹性了。Burgert的团队将边长约1.5cm的测试方块进行了约600次的负载循环。该材料表现出惊人的稳定性。在每次压缩时,研究人员测量到的电压约为0.63V,足以作为传感器应用。在进一步的实验中,该团队试图扩大他们的木质纳米发电机的规模。

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