Il legno che genera tensione elettrica

Il team di Ingo Burgert dell'ETH di Zurigo e dell'Empa ha spesso dimostrato che il legno è un materiale sorprendentemente versatile. Nel suo lavoro, il professore di materiali a base di legno si occupa spesso di migliorare le proprietà esistenti del legno per renderlo adatto a nuove applicazioni. Ad esempio, ha già creato un legno estremamente resistente, idrorepellente o magnetizzabile.

Il team di Burgert, insieme al gruppo di ricerca dell'Empa guidato da Francis Schwarze, ha ora utilizzato un processo chimico e biologico per generare tensione elettrica in un tipo di spugna di legno. In questo modo, hanno amplificato il cosiddetto effetto piezoelettrico del legno.

La compressione genera tensione elettrica

Quando un materiale piezoelettrico si deforma elasticamente, genera una tensione elettrica. Questo fenomeno viene utilizzato principalmente nella tecnologia di misura, utilizzando sensori che generano un segnale di carica quando vengono caricati meccanicamente. Tuttavia, per tali sensori vengono spesso utilizzati materiali non adatti alle applicazioni biomediche. Ad esempio, il titanato zirconato di piombo (PZT), che non è adatto all'uso sulla pelle a causa della tossicità del piombo e deve essere smaltito separatamente.

Anche il legno ha un effetto piezoelettrico naturale, ma viene generata solo una tensione elettrica molto bassa. Per aumentare la tensione generata, è necessario modificare la composizione chimica del legno, che lo rende anche più comprimibile.

Trasformare un blocco in una spugna

Per trasformare il legno in un materiale facilmente modellabile, è possibile rimuovere un componente delle pareti cellulari. Le pareti cellulari del legno sono costituite da tre materiali di base: Lignina, emicellulosa e cellulosa. "La lignina è la sostanza stabilizzante di cui gli alberi hanno bisogno per crescere in altezza. Senza la lignina, che collega le cellule e impedisce alle fibrille di cellulosa, rigide alla trazione, di deformarsi, questo non sarebbe possibile", spiega Burgert.

Qualche mese fa, Jianguo Sun, dottorando del team di Burgert, insieme a colleghi dell'ETH e dell'Empa, è riuscito a dimostrare in uno studio pubblicato sulla rivista ACS Nano come il legno possa essere reso malleabile se la lignina viene rimossa per via chimica, con il risultato di potenziare l'effetto piezoelettrico.

I ricercatori hanno ottenuto la delignificazione immergendo il legno in una miscela di perossido di idrogeno e acido acetico. L'acido dissolve la lignina. Ciò che rimane è una struttura di strati di cellulosa. "Sfruttiamo la struttura gerarchica del legno senza doverlo prima sciogliere completamente e poi ricollegare le fibre, come avviene nella produzione della carta", spiega Burgert.

Un pezzo di legno di balsa viene trasformato in una spugna di legno bianca composta da sottili strati di cellulosa sovrapposti. Questi possono essere semplicemente pressati l'uno sull'altro e poi tornare alla loro forma originale. "La spugna di legno genera una tensione elettrica 85 volte superiore rispetto al legno nativo", spiega Sun.

Un mini-generatore nel pavimento di legno

Il team ha sottoposto un cubo di prova con un lato di circa 1,5 cm a circa 600 cicli di carico. La spugna di legno si è dimostrata sorprendentemente resistente: Ad ogni carico, i ricercatori hanno misurato una tensione di circa 0,63 volt, utile per l'utilizzo come sensore. In ulteriori esperimenti, il team ha esplorato la scalabilità di questo mini-generatore. Se 30 di questi blocchi di legno vengono collegati tra loro e caricati uniformemente con il peso corporeo di un adulto, possono essere utilizzati per alimentare un semplice display LCD.

Trattamento con funghi invece che con sostanze chimiche

In uno studio successivo, appena pubblicato sulla rivista pagina esternaScienza avanzata Il team di ricerca dell'ETH è andato oltre: l'obiettivo era produrre la spugna di legno senza sostanze chimiche. I ricercatori hanno trovato in natura un candidato adatto alla delignificazione: il fungo Ganoderma applanatum provoca la putrefazione bianca del legno e umwelt und Geomatik in modo particolarmente delicato. "Sebbene la tensione generata nei primi test fosse inferiore a quella del legno trattato chimicamente, il processo dei funghi è più rispettoso dell'ambiente", afferma Burgert.

I vantaggi di un sistema piezoelettrico così semplice e rinnovabile sono evidenti. I ricercatori vedono possibili applicazioni future per le spugne di legno, come ad esempio materiali da costruzione sostenibili che generano energia durante la fase di utilizzo, o sensori di pressione per la pelle in campo medico.

Tuttavia, ci sono ancora alcuni passi da compiere prima che il legno piezoelettrico possa essere utilizzato efficacemente come biosensore o addirittura come parquet che genera elettricità. Burgert e i suoi colleghi sono già in trattative con potenziali partner di cooperazione per adattare la tecnologia ad applicazioni industriali.

Questo articolo è stato pubblicato in una forma leggermente modificata dalpagina esternaEmpaaccettata.