压电木材：木材中的“发电机”
Science_北京
不惧过往，不畏将来！昨天 14:00
研究人员发现，经过特殊处理后的木材可以通过压电效应产生电能。
巴沙木（左）与脱木质素木材的微观结构。
瑞士苏黎世联邦理工学院（ETHZ）和瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）的研究人员再一次证实：木材不仅仅是一种建筑材料。他们找到了一种简单、环保的方法，赋予“木质海绵”发电性能。相关论文近日发表在《科学进展》杂志中。
要用木材发电，我们必须寻求压电效应的帮助。压电是指固体因弹性形变产生的电压。这一效应被计量学广泛使用，例如：当施加机械负载时，计量学传感器可产生电荷信号。
然而，这类传感器使用的材料大多不适合生物医学应用——锆钛酸铅（PZT）含有铅，对人体有毒性。
因此，如果产品能够利用木材的天然压电效应，将具备明显环保优势。进一步考虑，压电效应还能用于可持续的能源生产。但首先，木材需要具备适当的性质。未经特殊处理的木材，柔韧性不足，在受到机械应力时，形变过程产生的电压极低。
压电式纳米发电机的工作原理是：坚硬的木质素被溶解掉后，剩下柔韧的纤维素网络。当它受到挤压作用时，电荷分离，产生电压。
为了得到合格的木材样品，论文作者、博士生Jianguo Sun使用化学去木质素化过程，对木材原料进行处理。去木质素化过程赋予木材产生一定形变的潜质。
论文作者Ingo Burgert说，“我们利用了木材的层次结构，用过氧化氢和醋酸混合溶液对其进行了处理，然后再重新连接纤维。”
由此，研究人员获得了由多层纤薄纤维素网络组成的白色木质海绵——这时，木材变得富有弹性了，它可以轻松被挤压，再膨胀回复原本的形状。当它受到挤压作用时，电荷分离，电压产生。
研究人员对边长约1.5厘米的立方体样品进行了600次左右的载荷循环测试，发现材料具有惊人的稳定性。每次压缩时，研究人员都能测得约0.63伏特的电压，这已经足够驱动传感器。
接下来，Burgert团队希望拓展木质纳米发电机的规模。例如，30块类似的木块在加载成年人体重时，便可以点亮一台简易液晶显示屏。因此，将人们行走时产生的能量转化为电能的木地板，是具备研发可行性的。
此外，研究人员还证实了样品作为人类皮肤压力传感器的适用性。
为了提升该工艺的环保性，研究人员希望去除木材处理过程中使用的“侵略性化学物质”。他们发现，自然界中诱导木材罹患白腐病的真菌树舌灵芝，能够以生物过程脱除木质素。EMPA研究员Javier Ribera说：“这种真菌能够以非常温和的方式分解木材中的木质素和半纤维素。”而且，该过程在实验室中易于控制。相信在不久的未来，发电木材便可“更安全地”进入市场。
编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《科学》
期刊编号：0036-8075
原文链接：
https://medicalxpress.com/news/2021-03-digital-twins-proactive-personalized-medicine.html
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