实木复合地板的木质海绵压电纳米发电机

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开发低成本和可生物降解的压电纳米发电机对于从收获低级机械能到可穿戴传感器的各种应用都至关重要。许多最广泛使用的压电材料，包括钛酸锆钛酸铅（PZT），都具有严重的缺陷，例如复杂的合成，较差的机械性能（例如脆性）和有毒成分，限制了其在生物医学应用中的发展，并给环境带来了问题。他们的处置。

本文报告了一种低成本，可生物降解，具有生物相容性和高度可压缩性的压电纳米发电机，该发电机基于通过简单的脱木质素工艺获得的木质海绵。得益于木质海绵的增强可压缩性，木质纳米发生器（15×15×14mm3（纵向×径向×切向）可以产生高达0.69V的输出电压，是天然（未经处理）木材所产生电压的85倍，并且在反复循环压缩（≥次循环）下表现出稳定的性能。

该方法表明增加散装材料的可压缩性对于改善其压电输出的重要性。我们通过展示其作为可穿戴运动监控系统（由单个木质海绵制成）和大型原型机（具有增加的输出功率（由30个木质海绵制成））的应用能力来展示该纳米发电机的多功能性，从而能够为简单的电子设备供电（LED灯，LCD屏幕）。此外，通过研究其与纤维素降解真菌的分解，证明了木质海绵压电纳米发生器的生物降解性。

Empa和苏黎世联邦理工学院的研究人员已经使木材可压缩并将其变成微型发电机。加载后会产生电压。这样，木材可以用作生物传感器-或产生可用能量。最新亮点：为确保该过程不需要侵蚀性化学物质，自然发生的木材降解真菌将接管改性木材的任务。

IngoBurgert及其在Empa和ETHZurich的团队一次又一次地证明了这一点：木材不仅仅是只是一种建筑材料。他们的研究旨在以适合全新应用范围的方式扩展木材的现有特性。例如，他们已经开发出高强度，防水和可磁化的木材。现在，与Empa研究小组的FrancisSchwarze和JavierRibera一起，开发了一种简单，环保的方法来从一种类型的木海绵中发电，正如他们上周在《ScienceAdvances》杂志上所报道的那样。

变形压电效应

很小的压力就可以在木海绵中产生电压。

如果您想用木头发电，所谓的压电效应就会发挥作用。压电是指通过固体的弹性变形产生电压。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，例如在施加机械负载时。

但是，此类传感器通常使用不适合用于生物医学应用的材料，例如锆钛酸铅（PZT），由于其所含的铅而不能在人的皮肤上使用。这也使得PZT和Co的生态处置相当棘手。因此，能够利用木材的天然压电效应具有许多优点。

如果进一步考虑，该效应也可用于可持续能源生产。但是首先，必须赋予木材适当的性能。没有特殊的处理，木材的柔韧性就不够。承受机械应力时；因此，在变形过程中仅产生非常低的电压。

从块到海绵

压电纳米发电机的工作原理是这样的：刚性木质结构溶解后，仍保留了柔性纤维素网络。挤压时，电荷会分离，从而产生电压。

Burgert团队的博士生SunJianuoSun使用了化学工艺，这是该团队近年来对木材进行各种提炼的基础：去木质素。木质细胞壁由三种基本材料组成：木质素，半纤维素和纤维素。

伯格特解释说：木质素是树木长大后主要需要的。没有木质素作为连接细胞并防止刚性纤维素原纤维屈曲的稳定物质，这是不可能的。

为了将木材转变成易于变形的材料，必须至少部分地提取木质素。这是通过将木材放入过氧化氢和乙酸的混合物中来实现的。木质素溶解在该酸浴中，留下纤维素层的框架。

伯格特说：我们利用木材的分层结构而不必先溶解木材，例如在造纸中就是如此，然后必须重新连接纤维。

所得的白色木质海绵由叠加的纤维素薄层组成，可以轻松地挤压在一起，然后再膨胀回原来的形状-木材变得富有弹性。

纳米发生器：将硬木结构（左）用酸溶解后，保留柔性纤维素层（中/右）。当压在一起时，带不同电荷的区域会相互移位。材料的表面带电。

木制纳米发电机

Burgert的团队对测试立方体的边长进行了约1.5cm到约个负载循环的测试。该材料显示出惊人的稳定性。研究人员在每次压缩时测得的电压约为0.63V，足以用作传感器。在进一步的实验中，研究小组试图扩大其木制纳米发电机的尺寸。

例如，他们能够显示出30个这样的木块，与成年人的体重平行放置时，可以点亮一个简单的LCD显示屏。因此，可以想到开发一种木地板，该木地板能够将在其上行走的人们的能量转换为电能。研究人员还测试了其作为人体皮肤压力传感器的适用性，并表明它可以用于生物医学应用。

在黑暗中为商用LED供电的木桌

未来的应用

但是，Empa-ETH团队最新出版物中描述的工作又向前迈进了一步：目的是以一种不再需要使用腐蚀性化学物质的方式来修改该过程。研究人员找到了一种合适的候选物，它可以自然界中的生物过程形式进行脱木质素：真菌灵芝，木材中白腐的原因。

Empa研究人员哈维尔·里贝拉（JavierRibera）解释说：这种真菌能特别缓慢地分解木材中的木质素和半纤维素。而且，该过程可以在实验室中轻松控制。

轻木（左）和脱木素木的扫描电子显微镜（SEM）图像说明了结构变化。

在将压电木材用作传感器或用作发电的木地板之前，还需要采取一些步骤。但是，这种简单，同时又可再生和可生物降解的压电系统的优点是显而易见的-Burgert和他的同事目前正在研究其后续项目。为了使该技术适应工业应用，研究人员已经在与潜在的合作伙伴进行谈判。

参考文章：

1，孙J，郭国，GNSchdli，KTu，SSchr，FWMRSchwarze，GPanzarasa，JRibera，IBurgert；选择性腐烂的木材增强了机械能转换；ScienceAdvances（）;

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