簡(jiǎn)單環(huán)保,新工藝讓木材變得可壓縮可發(fā)電

Empa和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員將木材變得可壓縮，并將其變成一個(gè)微型發(fā)電機(jī)。 當(dāng)它被加載時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓。通過(guò)這種方式，木材可以作為生物傳感器或產(chǎn)生可用的能源。為了確保這個(gè)過(guò)程不需要腐蝕性的化學(xué)品，自然產(chǎn)生的木材降解真菌接管了改造木材的任務(wù)。

Ingo Burgert和他在Empa和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)一次次證明了這一點(diǎn)。木材不僅僅是一種建筑材料。他們的研究旨在擴(kuò)展木材的現(xiàn)有特性，使其適合全新的應(yīng)用范圍。例如，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)度、防水、可磁化的木材?，F(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)與Francis Schwarze和Javier Ribera組成的Empa研究小組一起，開(kāi)發(fā)出了一種簡(jiǎn)單、環(huán)保的從一種木質(zhì)海綿中發(fā)電的工藝，他們上周在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上進(jìn)行了報(bào)道。

如果你想用木材發(fā)電，所謂的壓電效應(yīng)就會(huì)發(fā)揮作用。壓電效應(yīng)是指通過(guò)固體的彈性變形產(chǎn)生電電壓。這種現(xiàn)象主要被計(jì)量學(xué)所利用，計(jì)量學(xué)使用的傳感器會(huì)產(chǎn)生電荷信號(hào)，比如說(shuō)，當(dāng)機(jī)械負(fù)載被施加時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電荷信號(hào)。

然而，這種傳感器通常使用的材料不適合用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如鋯鈦酸鉛（PZT），由于其含有鉛，不能用于人體皮膚。這也使得PZT和Co的生態(tài)處理相當(dāng)棘手。因此，能夠利用木材的天然壓電效應(yīng)，具有很多優(yōu)勢(shì)。如果進(jìn)一步思考，這種效應(yīng)也可以用于可持續(xù)的能源生產(chǎn)。但首先，必須賦予木材適當(dāng)?shù)奶匦?。如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)特殊處理，木材的柔韌性不夠；當(dāng)受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)；因此，在變形過(guò)程中只會(huì)產(chǎn)生很低的電壓。

伯格特團(tuán)隊(duì)的博士生Jianguo Sun使用了一種化學(xué)工藝，這也是該團(tuán)隊(duì)近年來(lái)對(duì)木材進(jìn)行各種 “改良 ”的基礎(chǔ)：脫木質(zhì)化。木材細(xì)胞壁由三種基本材料組成：木質(zhì)素、半纖維素和纖維素。剛性的木質(zhì)結(jié)構(gòu)被溶解后 剩下的是柔韌的纖維素網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)受到擠壓時(shí)，電荷被分離，產(chǎn)生電壓。為了將木材轉(zhuǎn)化為易于變形的材料，木質(zhì)素必須至少被部分 “提取”。這是通過(guò)將木材置于過(guò)氧化氫和乙酸的混合物中來(lái)實(shí)現(xiàn)的。木質(zhì)素在這個(gè)酸浴中被溶解，留下一個(gè)纖維素層的框架。

研究人員利用了木材的層次結(jié)構(gòu)，由此產(chǎn)生的白色木質(zhì)海綿由疊加的薄層纖維素組成，這些纖維素可以很容易地被擠壓在一起，然后膨脹回原來(lái)的形態(tài)，木材變得有彈性了。Burgert的團(tuán)隊(duì)將邊長(zhǎng)約1.5cm的測(cè)試方塊進(jìn)行了約600次的負(fù)載循環(huán)。該材料表現(xiàn)出驚人的穩(wěn)定性。在每次壓縮時(shí)，研究人員測(cè)量到的電壓約為0.63V，足以作為傳感器應(yīng)用。在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)試圖擴(kuò)大他們的木質(zhì)納米發(fā)電機(jī)的規(guī)模。

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