Es werden zwei Holzschichten benötigt, eine mit PDMS (Polydimethylsiloxan) aufgeschleudert – einem Elektronenakzeptor bei Kontakt („tribonegativ“) – und die andere mit Nanokristallen von ZIF-8, die auf einer Oberfläche gewachsen sind – ZIF-8 (zeolithisches Imidazolat .) Gerüst-8) ist ein elektronenspendendes ('tribo-positives') 'metall-organisches Gerüst'.
„Holz ist grundsätzlich triboneutral“, sagte der Wissenschaftler Guido Panzarasa von der ETH Zürich und den Eidgenössischen Materialprüfungsanstalten Technologie (Empa). „Das bedeutet, dass Holz keine wirkliche Tendenz hat, Elektronen aufzunehmen oder abzugeben. Die Herausforderung besteht also darin, Holz herzustellen, das in der Lage ist, Elektronen anzuziehen und abzugeben.“
Nicht, dass das Holz ein dummer Schwamm in der Struktur ist. Stattdessen bietet es Festigkeit und Zähigkeit, die den natürlich triboelektrischen Materialien fehlt, und seine Oberflächenrauheit ist für die aktuelle Generation erforderlich, da es sich um eine Form von TENG (triboelektrischer Nanogenerator) handelt. Eine erfolgreiche TENG-Oberfläche muss eine hohe Nanorauheit für eine große Oberfläche aufweisen, ohne hohe Spitzen, die einen engen Kontakt von gegenüberliegenden Oberflächen verhindern.
Das Holz, in diesem Fall 1 mm dick, wirkt auch als Isolator und verhindert die Leitung zwischen den triboaktiven Flächen und den Elektroden auf der Rückseite der Platten.
Bei der aktuellen Generation werden die Platten mit ihren triboaktiven Oberflächen nach (siehe Zeichnung) und mit dem externen Schaltung zwischen den Rückelektroden angeschlossen.
Update: So funktioniert's
Wenn das tribo-positive ZIF-8-Holz gegen das tribo-negative PDMS-Holz gedrückt wird, übertragen sich Elektronen von der ZIF-8-Holzoberfläche, bis ein stabiler Zustand erreicht ist – Ladungen heben sich auf und es gibt kein externes elektrisches Nettofeld.
Lässt man die Platten dann auseinander springen, bricht der innige Oberflächenkontakt und die PDMS-Holzoberfläche behält ihre aufgenommenen Elektronen.
Ohne engen Kontakt mit dem ZIF-8 führen die überschüssigen Elektronen in der PDMS-Schicht zu einer negativen Ladung.
Das Gegenteil ist beim ZIF-8-Holz passiert, da seine ZIF-8-Schicht eine positive Ladung erhält.
Der Nettoeffekt dieser beiden plötzlich auftretenden Ladungen besteht darin, dass Elektronen zwischen den Rückelektroden (PDMS-Holzelektrode zu ZIF-8-Holzelektrode) fließen, bis die Ladungen neutralisiert sind: Ein Stromimpuls wurde von ZIF-8 . gedrückt -Holz zu PDMS-Holz (vielen Dank für diese Verwirrung Herr Franklin…)
Wenn die Bleche wieder zusammengedrückt werden, fließt ein Stromimpuls in die andere Richtung zurück, und diese Impulse werden gleichgerichtet und für den Gebrauch gespeichert – die Forscher trieben beispielsweise einen Taschenrechner an. Eine detailliertere Beschreibung des TENG-Betriebs finden Sie weiter unten.
Von den getesteten Balsa-, Fichten- und Eibenholz funktionierte die radial geschnittene Fichte am besten und erzeugte 24 V Leerlauf und 320 μA Kurzschluss, wenn sie mit einer Kraft von 50 N gepresst wurde. Die Leistung nahm bis zu 1,500 Zyklen nicht ab.
„Unser Fokus lag darauf, die Möglichkeit zu demonstrieren, Holz mit relativ umweltfreundlichen Verfahren triboelektrisch zu modifizieren“, sagte Panzarasa. „Fichte ist günstig und verfügbar und hat günstige mechanische Eigenschaften. Der Ansatz der Funktionalisierung ist recht einfach und kann auf industrieller Ebene skalierbar sein. Es ist nur eine Frage der Technik.“
Der nächste Schritt des Teams besteht darin, chemische Beschichtungen mit ähnlicher Funktion zu finden, die einfach zu handhaben und umweltfreundlicher sind. „Das ultimative Ziel ist es, die Potenziale von Holz über die bereits bekannten hinaus zu verstehen und Holz mit neuen Eigenschaften für zukünftige nachhaltige intelligente Gebäude zu ermöglichen“, sagte Panzarasa.
Vollständige Informationen, einschließlich a detaillierte Beschreibung des TENG-Betriebs, ist in dem in Matter veröffentlichten Papier "Funktionalisiertes Holz mit abstimmbarer Tribopolarität für effiziente triboelektrische Nanogeneratoren" kostenlos erhältlich.