Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de madera de balsa (izquierda) y madera deslignificada ilustran los cambios estructurales. Crédito:ACS Nano / Empa
Ingo Burgert y su equipo en Empa y ETH Zurich lo han demostrado una y otra vez:la madera es mucho más que "solo" un material de construcción. Su investigación tiene como objetivo ampliar las características existentes de la madera de tal manera que sea adecuada para campos de aplicación completamente nuevos. Por ejemplo, ya han desarrollado alta resistencia, Madera magnetizable y repelente al agua. Ahora, junto con el grupo de investigación Empa de Francis Schwarze y Javier Ribera, el equipo ha desarrollado un sencillo proceso ecológico para generar electricidad a partir de un tipo de esponja de madera, como informaron la semana pasada en la revista Avances de la ciencia .
Voltaje por deformación
Si desea generar electricidad a partir de madera, entra en juego el llamado efecto piezoeléctrico. Piezoelectricidad significa que se crea un voltaje eléctrico por la deformación elástica de los sólidos. Este fenómeno es explotado principalmente por metrología, que utiliza sensores que generan una señal de carga, decir, cuando se aplica una carga mecánica. Sin embargo, Dichos sensores a menudo utilizan materiales que no son adecuados para su uso en aplicaciones biomédicas, como titanato de circonato de plomo (PZT), que no se puede utilizar en la piel humana debido al plomo que contiene. También dificulta la eliminación ecológica de PZT y Co. Por tanto, poder utilizar el efecto piezoeléctrico natural de la madera ofrece una serie de ventajas. Si piensa más, el efecto también podría utilizarse para la producción de energía sostenible. Pero antes que nada la madera debe tener las propiedades adecuadas. Sin trato especial, la madera no es lo suficientemente flexible; cuando se somete a estrés mecánico; por lo tanto, sólo se genera una tensión eléctrica muy baja en el proceso de deformación.
De bloque a esponja
Jianguo Sun, un doctorado estudiante en el equipo de Burgert, utilizó un proceso químico que es la base de varios 'refinamientos' de la madera que el equipo ha llevado a cabo en los últimos años:deslignificación. Las paredes de las células de madera constan de tres materiales básicos:lignina, hemicelulosas y celulosa. "La lignina es lo que un árbol necesita principalmente para crecer a grandes alturas. Esto no sería posible sin la lignina como sustancia estabilizadora que conecta las células y evita que las fibrillas rígidas de celulosa se doblen". "explica Burgert. Para transformar la madera en un material que se pueda deformar fácilmente, la lignina debe "extraerse" al menos parcialmente. Esto se logra colocando madera en una mezcla de peróxido de hidrógeno y ácido acético. La lignina se disuelve en este baño ácido, dejando un entramado de capas de celulosa. "Aprovechamos la estructura jerárquica de la madera sin antes disolverla, como es el caso de la producción de papel, por ejemplo, y luego tener que volver a conectar las fibras, ", dice Burgert. La esponja de madera blanca resultante consiste en capas delgadas superpuestas de celulosa que pueden comprimirse fácilmente y luego expandirse de nuevo a su forma original:la madera se ha vuelto elástica.
Así funciona un nanogenerador piezoeléctrico:una vez disuelta la rígida estructura de madera, permanece una red de celulosa flexible. Cuando esto se aprieta, los cargos están separados, generando un voltaje eléctrico. Crédito:ACS Nano / Empa
Electricidad de suelos de madera
El equipo de Burgert sometió el cubo de prueba con una longitud lateral de aproximadamente 1,5 cm a aproximadamente 600 ciclos de carga. El material mostró una estabilidad asombrosa. En cada compresión, los investigadores midieron un voltaje de alrededor de 0,63 V, suficiente para una aplicación como sensor. En experimentos posteriores, el equipo intentó ampliar sus nanogeneradores de madera. Por ejemplo, pudieron demostrar que 30 de esos bloques de madera, cuando se carga en paralelo con el peso corporal de un adulto, Puede iluminar una simple pantalla LCD. Por tanto, sería concebible desarrollar un suelo de madera que sea capaz de convertir la energía de las personas que caminan sobre él en electricidad. Los investigadores también probaron la idoneidad como sensor de presión en la piel humana y demostraron que podría usarse en aplicaciones biomédicas.
Aplicación en preparación
El trabajo descrito en la última publicación del equipo de Empa-ETH, sin embargo, va un paso más allá:el objetivo era modificar el proceso de tal manera que ya no requiera el uso de productos químicos agresivos. Los investigadores encontraron un candidato adecuado que podría llevar a cabo la deslignificación en forma de proceso biológico en la naturaleza:el hongo Ganoderma applanatum, las causas de la pudrición blanca en la madera. "El hongo descompone la lignina y la hemicelulosa de la madera con especial suavidad, "dice el investigador de Empa Javier Ribera, explicando el proceso respetuoso con el medio ambiente. Y lo que es más, el proceso se puede controlar fácilmente en el laboratorio.
Todavía quedan algunos pasos antes de que la madera 'piezo' se pueda utilizar como sensor o como suelo de madera para generar electricidad. Pero las ventajas de un sistema piezoeléctrico tan simple y al mismo tiempo renovable y biodegradable son obvias y ahora están siendo investigadas por Burgert y sus colegas en proyectos de seguimiento. Y para adaptar la tecnología a aplicaciones industriales, los investigadores ya están en conversaciones con posibles socios de cooperación.
