瑞士研究人員正在利用一種意想不到的能量來源：木地板。他們的新型奈米發電機使木材可以藉助人們行走來產生能量。他們還利用有機矽塗層和嵌入奈米晶體組合改進了奈米發電機使用的木材，從而使該裝置的效率提高了80倍——足以為LED燈泡和小型電子裝置供電。9月1日，相關論文發表在細胞出版社（Cell Press）旗下期刊Matter上。
該團隊首先將兩片功能化木材夾在電極之間，將它們轉化為奈米發電機。木片在被人們踩上時，週期性接觸和分離使其帶電，這種現象被稱為摩擦電效應。電子可以從一個物體轉移到另一個物體併產生電流。
然而，用木材製造奈米發電機有一個問題。“木材基本上是摩擦中性的。”論文通訊作者、瑞士蘇黎世聯邦理工學院和聯邦材料科學與技術實驗室木質材料科學教授Guido Panzarasa說，“這意味著木材沒有獲得或失去電子的真正傾向。這限制了這種材料的發電能力，所以挑戰是製造能夠吸引和失去電子的木材。”
為了提高木材的摩擦電效能，科學家在一塊木材上塗了聚二甲基矽氧烷（PDMS），一種透過接觸就能獲得電子的矽酮，同時用一種原位生長的名為沸石咪唑酯骨架結構材料—8（ZIF-8）的奈米晶體對另一塊木材進行功能化。ZIF-8是金屬離子和有機分子的混合網路，具有較高的失電子傾向。研究人員還測試了不同型別的木材，以確定特定木材種類或切割方向是否影響發電機的摩擦電效能。
研究發現，由放射狀切割雲杉木製成的奈米發電機效能最好，雲杉是歐洲常見的建築木材。總體而言，新型奈米發電機產生的電量是天然木材的80倍，電力輸出也在穩定的力量下高達1500迴圈。
一個表面積略小於一張紙的木地板原型機，可以產生足夠的能量驅動家用LED燈和小型電子裝置，如計算器。當一個成年人走在原型機上時，該裝置能將腳步轉化為電能，成功地點亮一個燈泡。
Panzarasa說：“我們的重點是用相對環保的方式改變木材，使其能夠摩擦發電。雲杉價格便宜，而且有良好的機械效能。我們提出的功能化方法非常簡單，並且可以在工業級別上進行擴充套件。”
除了高效、可持續和可擴充套件，新開發的奈米發電機還保留了木材在室內設計中有用的特點，包括其機械堅固性和暖色等。研究人員表示，這些特性可能有助於促進木質奈米發電機作為綠色能源在智慧建築中使用。他們還表示，新裝置有助於緩解氣候變化。
Panzarasa團隊計劃進一步最佳化奈米發電機與化學塗層，使其更環保、更容易實施。“儘管我們最初專注於基礎研究，但最終這些研究應該能在現實世界中得到應用。”Panzarasa說，“最終目標是瞭解木材的潛力，並讓其為未來的可持續智慧建築提供新屬性。”（劉如楠）
相關論文資訊：
https://www.doi.org/10.1016/j.matt.2021.07.022
來源： 中國科學報
