Se requieren dos capas de madera, una recubierta por rotación con PDMS (polidimetilsiloxano), un aceptor de electrones al contacto ('tribo-negativo'), y la otra con nanocristales de ZIF-8 cultivados en una superficie: ZIF-8 (imidazolato zeolítico framework-8) es un 'marco metalorgánico' donante de electrones ('tribo-positivo').
"La madera es básicamente triboneutral", afirmó el científico Guido Panzarasa de ETH Zürich y los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia de Materiales y Tecnología (Empa). "Esto significa que la madera no tiene una tendencia real a adquirir o perder electrones, por lo que el desafío es fabricar madera que sea capaz de atraer y perder electrones".
No es que la madera sea una esponja tonta en la estructura. En cambio, proporciona resistencia y tenacidad de las que carecen los materiales triboeléctricos naturales, y su rugosidad superficial es necesaria para la generación actual, ya que es una forma de TENG (nanogenerador triboeléctrico). Una superficie TENG exitosa debe tener una alta rugosidad a nanoescala para un área de superficie alta, sin picos altos que eviten el contacto cercano de superficies opuestas.
La madera, en este caso de 1 mm de espesor, actúa también como aislante, evitando la conducción entre las caras triboactivas y los electrodos en el dorso de las láminas.
Para la generación actual, las láminas se operan con sus superficies triboactivas enfrentadas (ver diagrama), y con el externo circuito conectado entre los electrodos traseros.
Actualización: cómo funciona
Si la madera ZIF-8 tribo-positiva se fuerza contra la madera PDMS tribo-negativa, los electrones se transfieren a través de la superficie de la madera ZIF-8 hasta que se alcanza un estado estable; las cargas se cancelan y no hay campo eléctrico externo neto.
Si se permite que las láminas se separen, el contacto íntimo de la superficie se rompe y la superficie de madera PDMS mantiene sus electrones adquiridos.
Sin un contacto cercano con el ZIF-8, el exceso de electrones en la capa de PDMS le da una carga negativa.
Lo contrario ha sucedido con la madera ZIF-8, dando a su capa ZIF-8 una carga positiva.
El efecto neto de estas dos cargas que aparecen repentinamente es hacer que los electrones fluyan entre los electrodos traseros (electrodo de madera PDMS a electrodo de madera ZIF-8) hasta que las cargas se neutralizan: un pulso de corriente ha sido empujado desde ZIF-8 -wood a PDMS-wood (muchas gracias por esta confusión Sr. Franklin…)
Cuando las hojas se juntan una vez más, un pulso de corriente fluye hacia el otro lado, y son estos pulsos los que se rectifican y almacenan para su uso; los investigadores, por ejemplo, alimentaron una calculadora. Consulte a continuación para obtener una descripción más detallada del funcionamiento de TENG.
De la madera de balsa, abeto y tejo probada, la picea cortada radialmente funcionó mejor, generando un circuito abierto de 24 V y un cortocircuito de 320 μA cuando se presiona con 50 N de fuerza. La producción no disminuyó hasta los 1,500 ciclos.
“Nuestro enfoque fue demostrar la posibilidad de modificar la madera con procedimientos relativamente amigables con el medio ambiente para hacerla triboeléctrica”, dijo Panzarasa. “El abeto es barato y está disponible y tiene propiedades mecánicas favorables. El enfoque de funcionalización es bastante simple y puede ser escalable a nivel industrial. Es solo una cuestión de ingeniería ".
El siguiente paso del equipo es encontrar recubrimientos químicos con una función similar que sean fáciles de usar y más ecológicos. “El objetivo final es comprender las potencialidades de la madera más allá de las ya conocidas y habilitar la madera con nuevas propiedades para futuros edificios inteligentes sostenibles”, dijo Panzarasa.
Información completa, incluida una descripción detallada del funcionamiento de TENG, está disponible sin pago en el artículo 'Madera funcionalizada con tribopolaridad sintonizable para nanogeneradores triboeléctricos eficientes', publicado en Matter.