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行走的“发电机”!研究人员将木地板变成纳米发电机


来自瑞士的研究人员正在挖掘我们脚下的一个意想不到的能源:木质地板。他们于9月1日在《物质》杂志上发表的纳米发电机,使木材能够从我们的脚步声中产生能量。他们还用有机硅涂层和嵌入式纳米晶体的组合改进了他们的纳米发电机中使用的木材,从而使该设备的效率提高了80倍,足以为LED灯泡和小型电子产品供电。

该团队首先通过将两块功能化的木材夹在电极之间,将木材转化为纳米发电机。就像刚从烘干机里出来的紧贴着衬衫的袜子一样,当踩在上面时,木片通过周期性的接触和分离而带电,这种现象称为三电效应。电子可以从一个物体转移到另一个物体,产生电力。然而,用木材制作纳米发电机有一个问题。


高级作者Guido Panzarasa说木材基本上是中性的,他是位于苏黎世联邦理工学院(ETH)和瑞士联邦材料科学与技术实验室(Empa)Dübendorf的木材材料科学教授小组的负责人。这意味着木材没有获得或失去电子的真正倾向,这限制了该材料的发电能力,因此,挑战是使木材能够吸引和失去电子。


为了提高木材的三电特性,科学家们在一块木材上涂上了聚二甲基硅氧烷(PDMS),一种在接触时获得电子的硅酮,同时用原位生长的纳米晶体(称为沸石咪唑框架-8(ZIF-8))对另一块木材进行功能化。ZIF-8是一种金属离子和有机分子的混合网络,具有较高的失去电子的倾向。他们还测试了不同类型的木材,以确定某些物种或木材被切割的方向是否可以通过作为涂层的更好的支架来影响其三电特性。


研究人员发现,用径向切割的云杉(一种欧洲常见的建筑用木材)制成的三电纳米发电机表现最好。这些处理方法共同提高了三电纳米发电机的性能:它的发电量是天然木材的80倍。该设备的电力输出在稳定的力作用下也很稳定,可持续达1500个周期。


研究人员发现,一个表面积略小于一张纸的木地板原型可以产生足够的能量来驱动家用LED灯和小型电子设备,如计算器。当一个成年人在上面行走时,他们成功地用该原型点亮了一个灯泡,将脚步声变成了电。
Panzarasa说:"我们的重点是证明用相对环保的程序改造木材,使其成为三电的可能性。云杉很便宜,可以得到,而且具有良好的机械性能。这种功能化的方法相当简单,而且可以在工业层面上进行扩展,这只是一个工程问题。"


除了高效、可持续和可扩展之外,新开发的纳米发电机还保留了使木材对室内设计有用的特点,包括其机械强度和温暖的颜色。研究人员说,这些特点可能有助于促进木材纳米发电机在智能建筑中作为绿色能源的使用。他们还说,木材建筑可以通过在材料的整个生命周期内从环境中封存二氧化碳来帮助缓解气候变化。


Panzarasa和他的团队的下一步是用更环保和更容易实现的化学涂层进一步优化纳米发电机。即使我们最初专注于基础研究,但最终,我们所做的研究应该导致在现实世界的应用,最终的目标是了解木材的潜力,超越那些已经知道的潜力,并使木材具有新的特性,用于未来的可持续智能建筑。

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