木地板變身奈米發電機 走路就能發電

作者 : 夏菲,EDN China

瑞士研究人員設計出一種奈米發電機,能讓木質地板從我們的腳步行走中收集電力...

瑞士蘇黎士研究人員利用在我們腳下的一種令人意想不到的能源:木地板。他們設計出一種新方法,讓木質地板能夠從我們的腳步行走中收集電力,這項成果已於9月1日發表在雜誌《Matter》上。

這項技術被稱為奈米發電機(nanogenerator),能夠從行走中產生足夠的電力,為測試中的燈泡供電。該計劃的研究人員結合特殊的矽樹脂塗層和嵌入式奈米晶體,改進了奈米發電機中所使用的木地板,從而使裝置的效率提高了 80 倍——足以為 LED 燈泡和小型電子產品供電。

圖中簡單說明功能化木地板上的腳步如何用於為小型裝置供電。(來源:Sun et al./Matter

該團隊首先將兩塊功能化木板夾在電極之間,從而將木材轉化為奈米發電機。就像剛從烘乾機中取出的緊貼襯衫的襪子一樣,木片在踩到時會透過週期性接觸和分離而帶電,這種現象稱為摩擦起電效應(triboelectric effect)。電子可以從一個物體轉移到另一個物體,從而產生電能。然而,用木板製造奈米發電機存在一個問題。

該研究的資深作者、同時也是蘇黎世 Eidgenössische Technische Hochschule (ETH)和瑞士聯邦材料科學與技術實驗室(Empa) Dübendorf 木材材料科學教授組組長Guido Panzarasa說:「木材基本上是摩擦中性的。這意味著木材並沒有獲得或失去電子的真正趨勢。這限制了材料發電的能力,因此,其挑戰在於製造能夠吸引和失去電子的木材。」

為了提高木材的摩擦電性能,科學家們用聚二甲基矽氧烷(PDMS)塗覆一塊木材,這是一種在接觸時獲得電子的有機矽,同時用原位生長的奈米晶體對另一塊木材進行功能化,稱為沸石咪唑骨架-8 (ZIF-8)。ZIF-8是一種金屬離子和有機分子的混合網路,具有更高的遺失電子傾向。他們還測試了不同類型的木材,以確定某些物種或木材的切割方向是否可以作為更好的塗層支架來影響其摩擦電特性。

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研究人員發現,用徑向切割的雲杉(歐洲常見的建築木材)製成的摩擦奈米發電機性能最好。總之,這些處理提高了摩擦奈米發電機的性能:它產生的電力是天然木材的 80 倍。該裝置的電力輸出在穩定的力道下也能保持穩定,長達1,500次週期。

研究人員發現,表面積略小於一張紙的木地板原型,可以產生足夠的能量來驅動家用 LED 燈和計算機等小型電子裝置。當一個成年人走過時,他們成功地用原型點亮了一個燈泡,將腳步聲變成了電。

如何從功能化木材米發電機上的腳步聲中獲取能量以點亮燈泡的原型。(來源:Sun et al./Matter

「我們的重點在於展示使用相對較環保的程序,對木材進行改性以使其摩擦起電的可能性,」Panzarasa 說。「雲杉便宜且易於獲得,並且具有良好的機械性能。功能化方法非常簡單,並且可以在工業級上進行擴展。這只是一個工程問題。」

除了高效率、可持續和可擴展之外,新開發的奈米發電機還保留了木材可用於室內設計的特性,包括其機械堅固性和暖色。研究人員表示,這些功能可能有助於促進木材奈米發電機在智慧建築中作為綠色能源的使用。他們還表示,木結構可以透過在材料的整個生命週期中從環境中隔離CO2以協助緩解氣候變化。

Panzarasa及其團隊的下一步是使用更環保且更易於實施的化學塗層,進一步最佳化奈米發電機。「儘管我們最初專注於基礎研究,但最終,我們所做的研究應該會在現實世界中得到應用,」Panzarasa 說。「最終目標在於瞭解木材超越已知的潛力,並使木材具有新的特性,以用於未來的可持續智慧建築。」

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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