壓電木材：木材中的“發電機”_風聞

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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