Naučnici sa ETH Zurich i EMPA napravili su drvo kompresibilnim i pretvorili ga u mikrogenerator. Kada je drvo opterećeno, stvara se električni napon. Na taj način drvo može da posluži kao bio-senzor ili da generiše korisnu energiju.
Drvo je mnogo više od „samo“ građevinskog materijala. To su još jednom pokazali i naučnici sa ETH Zurich i EMPA. Njihovo istraživanje ima za cilj proširenje postojećih karakteristika drveta na takav način da je pogodno za potpuno nove oblasti primene. Na primer, oni su već razvili drvo visoke čvrstoće, vodootporno i magnetizirano drvo. Sada su zajedno sa istraživačkom grupom Empa Francisa Schwarzea i Javiera Ribere razvili jednostavan, ekološki prihvatljiv postupak za proizvodnju električne energije iz jedne vrste drveta. Oni su smislili sunđerasti drveni pod koji kada se hoda po njemu proizvodi električnu energiju.
NAPON KROZ DEFORMACIJU
Kako bi proizvodili električnu energiju iz drveta, materijal koristi takozvani piezoelektrični efekat. Piezoelektričnost znači da se električni napon stvara elastičnom deformacijom čvrstih tela.
Kako se materijal sabija pod mehaničkim naprezanjem, pozitivno i negativno naelektrisanje odvaja se na suprotnim površinama, stvarajući napon kada dođe do njihovog spajanja.
Ovaj fenomen uglavnom koristi metrologija (nauka o merenju), koja koristi senzore koji generišu signal naelektrisanja, recimo, kada se primeni mehaničko opterećenje. Međutim, takvi senzori često koriste materijale koji su neprikladni za upotrebu u biomedicinskoj primeni, kao što je olovo cirkonat titanat (PZT), koji se ne može koristiti na ljudskoj koži zbog olova koje sadrži.
Mogućnost korišćenja prirodnog piezoelektričnog efekta drveta stoga nudi brojne prednosti. Efekat bi se mogao koristiti i za održivu proizvodnju energije. Ali pre svega, drvo mora dobiti odgovarajuća svojstva. Bez posebnog tretmana drvo nije dovoljno fleksibilno kada je izloženo mehaničkom naprezanju, i zbog toga se u procesu deformacije stvara samo vrlo nizak električni napon.
KAKO DELUJE PIEZOELEKTRIČNI NANOGENERATOR?
Nakon rastvaranja krute drvene konstrukcije ostaje fleksibilna celulozna mreža. Kada se ovo stisne, naelektrisanja se razdvajaju, stvarajući električni napon.
se razdvajaju, stvarajući električni napon. Foto: ACS Nano / Empa
Jianguo Sun, doktorant u Burgertovom timu, koristio je hemijski postupak koji je osnova za različita „oplemenjivanja“ drveta koja je tim preduzeo poslednjih godina: delignifikaciju, odnosno uklanjanje lignina koji deluju kao potporne strukture u ćelijama biljaka i čine ih čvrstim i jakim. Zidovi drvnih ćelija sastoje se od tri osnovna materijala: lignina, hemiceluloze i celuloze.
„Lignin deluje kao potporna struktura u ćelijama biljaka i čini ih čvrstim i jakim, te omogućava da rastu do velikih visina. To ne bi bilo moguće bez lignina kao stabilizujuće supstance koja povezuje ćelije i sprečava izvijanje krutih celuloznih vlakana“, objašnjava Burgert.
Da bi se drvo pretvorilo u materijal koji se lako može deformisati, lignin mora bar delimično da se „ekstrahuje“. To se postiže stavljanjem drveta u smešu vodonik-peroksida i sirćetne kiseline. Lignin se rastvara u ovoj kiseloj kupki, ostavljajući okvir celuloznih slojeva. „Koristimo hijerarhijsku strukturu drveta, a da ga prethodno ne rastvorimo, kao što je slučaj u proizvodnji papira, na primer, a zatim moramo ponovo povezati vlakna“, kaže Burgert.
Uklanjanjem nekih od polimera, drvo postaje znatno sunđerastije pa se lako može stisnuti, a zatim ponovo vratiti u svoj izvorni oblik – drvo je postalo elastično.
Testiran je materijal kockastog oblika dimenzija oko 1,5 cm sa oko 600 ciklusa opterećenja. Materijal je pokazao neverovatnu stabilnost. Pri svakoj kompresiji, generisao je oko 0,63 V, što bi moglo da napaja mali senzor i bio je stabilan tokom svih ciklusa.
U daljim eksperimentima, tim je pokušao da poveća svoje drvene nanogeneratore. Uspeli su da pokažu da sastavljanjem 30 takvih kocki u blok pritiskanjem sa težinom odrasle osobe mogu da osvetle jednostavan LED ekran. Stoga bi bilo zamislivo razviti drveni pod koji bi mogao pretvoriti energiju ljudi koji hodaju po njemu u električnu energiju. Istraživači su takođe testirali pogodnost senzora pritiska na ljudskoj koži i pokazali da se on može koristiti u biomedicinskoj primeni.
Cilj je bio modifikovati postupak na takav način da više ne zahteva upotrebu agresivnih hemikalija. Istraživači su pronašli pogodnog kandidata koji bi mogao da izvrši delignifikaciju u obliku biološkog procesa u prirodi: gljiva Ganoderma applanatum, uzroci bele truleži u drvetu.
„Gljiva naročito nežno razgrađuje lignin i hemicelulozu u drvetu“, kaže istraživač Empe Javier Ribera, objašnjavajući proces koji je ekološki prihvatljiv. Štaviše, proces se lako može kontrolisati u laboratoriji.
Drvo tretirano gljivama imalo je još bolji učinak. Kocka iste veličine proizvela je maksimalni napon od 0,87 V. Pored ovoga, druga varijanta je i ekološki prihvatljivija.
Još nekoliko koraka treba preduzeti pre nego što se „piezo“ drvo može koristiti kao senzor ili kao drveni pod koji proizvodi električnu energiju. Ali prednosti tako jednostavnog, a istovremeno obnovljivog i biorazgradivog piezoelektričnog sistema su očigledne i njih sada istražuju Burgert i njegove kolege u sledećim projektima. A kako bi prilagodili tehnologiju za industrijske primene, istraživači već pregovaraju sa potencijalnim partnerima za saradnju.
