壓電木材:木材中的“發電機”_風聞
Science_北京-不惧过往,不畏将来!2021-03-17 14:00


研究人員發現,經過特殊處理後的木材可以通過壓電效應產生電能。
巴沙木(左)與脱木質素木材的微觀結構。
瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETHZ)和瑞士聯邦材料科學與技術研究所(EMPA)的研究人員再一次證實:木材不僅僅是一種建築材料。他們找到了一種簡單、環保的方法,賦予“木質海綿”發電性能。相關論文近日發表在《科學進展》雜誌中。
要用木材發電,我們必須尋求壓電效應的幫助。壓電是指固體因彈性形變產生的電壓。這一效應被計量學廣泛使用,例如:當施加機械負載時,計量學傳感器可產生電荷信號。
然而,這類傳感器使用的材料大多不適合生物醫學應用——鋯鈦酸鉛(PZT)含有鉛,對人體有毒性。
因此,如果產品能夠利用木材的天然壓電效應,將具備明顯環保優勢。進一步考慮,壓電效應還能用於可持續的能源生產。但首先,木材需要具備適當的性質。未經特殊處理的木材,柔韌性不足,在受到機械應力時,形變過程產生的電壓極低。
壓電式納米發電機的工作原理是:堅硬的木質素被溶解掉後,剩下柔韌的纖維素網絡。當它受到擠壓作用時,電荷分離,產生電壓。
為了得到合格的木材樣品,論文作者、博士生Jianguo Sun使用化學去木質素化過程,對木材原料進行處理。去木質素化過程賦予木材產生一定形變的潛質。
論文作者Ingo Burgert説,“我們利用了木材的層次結構,用過氧化氫和醋酸混合溶液對其進行了處理,然後再重新連接纖維。”
由此,研究人員獲得了由多層纖薄纖維素網絡組成的白色木質海綿——這時,木材變得富有彈性了,它可以輕鬆被擠壓,再膨脹回覆原本的形狀。當它受到擠壓作用時,電荷分離,電壓產生。
研究人員對邊長約1.5釐米的立方體樣品進行了600次左右的載荷循環測試,發現材料具有驚人的穩定性。每次壓縮時,研究人員都能測得約0.63伏特的電壓,這已經足夠驅動傳感器。
接下來,Burgert團隊希望拓展木質納米發電機的規模。例如,30塊類似的木塊在加載成年人體重時,便可以點亮一台簡易液晶顯示屏。因此,將人們行走時產生的能量轉化為電能的木地板,是具備研發可行性的。
此外,研究人員還證實了樣品作為人類皮膚壓力傳感器的適用性。
為了提升該工藝的環保性,研究人員希望去除木材處理過程中使用的“侵略性化學物質”。他們發現,自然界中誘導木材罹患白腐病的真菌樹舌靈芝,能夠以生物過程脱除木質素。EMPA研究員Javier Ribera説:“這種真菌能夠以非常温和的方式分解木材中的木質素和半纖維素。”而且,該過程在實驗室中易於控制。相信在不久的未來,發電木材便可“更安全地”進入市場。
編譯:雷鑫宇
審稿:西莫
責編:陳之涵
期刊來源:《科學》
期刊編號:0036-8075
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https://medicalxpress.com/news/2021-03-digital-twins-proactive-personalized-medicine.html
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