Deux couches de bois sont nécessaires, l'une revêtue par centrifugation de PDMS (polydiméthylsiloxane) - un accepteur d'électrons au contact ("tribo-négatif") - et l'autre de nanocristaux de ZIF-8 cultivés sur une surface - ZIF-8 (imidazolate zéolitique framework-8) est un « framework métal-organique » donneur d'électrons (« tribo-positif »).
«Le bois est fondamentalement tribo-neutre», a déclaré le scientifique Guido Panzarasa de l'ETH Zürich et du Laboratoire fédéral suisse de science des matériaux et de recherche. Technologie (Empa). "Cela signifie que le bois n'a pas de réelle tendance à acquérir ou à perdre des électrons. Le défi est donc de fabriquer du bois capable d'attirer et de perdre des électrons."
Non pas que le bois soit une éponge muette dans la structure. Au lieu de cela, il fournit une résistance et une ténacité qui manquent aux matériaux naturellement triboélectriques, et sa rugosité de surface est requise pour la génération de courant car il s'agit d'une forme de TENG (nanogénérateur triboélectrique). Une surface TENG réussie doit avoir une rugosité élevée à l'échelle nanométrique pour une surface élevée, sans pics élevés qui empêcheront le contact étroit des surfaces opposées.
Le bois, en l'occurrence 1 mm d'épaisseur, fait également office d'isolant, empêchant la conduction entre les faces tribo-actives et les électrodes au dos des tôles.
Pour la génération actuelle, les tôles sont opérées face à leurs surfaces tribo-actives (voir schéma), et avec l'extérieur circuit connecté entre les électrodes arrière.
Mise à jour : comment ça marche
Si le bois ZIF-8 tribo-positif est forcé contre le bois PDMS tribo-négatif, les électrons sont transférés de la surface du bois ZIF-8 jusqu'à ce qu'un état stable soit atteint - les charges s'annulent et il n'y a pas de champ électrique externe net.
Si les feuilles sont ensuite autorisées à se séparer, le contact de surface intime se rompt et la surface du bois PDMS conserve ses électrons acquis.
Sans contact étroit avec le ZIF-8, les électrons en excès dans la couche de PDMS lui confèrent une charge négative.
L'inverse s'est produit avec le bois ZIF-8, donnant à sa couche ZIF-8 une charge positive.
L'effet net de l'apparition soudaine de ces deux charges est de faire circuler des électrons entre les électrodes arrière (électrode en bois PDMS à électrode en bois ZIF-8) jusqu'à ce que les charges soient neutralisées : une impulsion de courant a été poussée de ZIF-8 -bois à PDMS-bois (merci beaucoup pour cette confusion Mr Franklin…)
Lorsque les feuilles sont à nouveau forcées ensemble, une impulsion de courant revient dans l'autre sens, et ce sont ces impulsions qui sont rectifiées et stockées pour être utilisées - les chercheurs, par exemple, ont alimenté une calculatrice. Voir ci-dessous pour une description plus détaillée du fonctionnement TENG.
Parmi les bois de balsa, d'épicéa et d'if testés, l'épicéa coupé radialement a le mieux fonctionné, générant un circuit ouvert de 24 V et un court-circuit de 320 μA lorsqu'il est pressé avec une force de 50 N. Le rendement n'a pas diminué jusqu'à 1,500 XNUMX cycles.
« Notre objectif était de démontrer la possibilité de modifier le bois avec des procédures relativement respectueuses de l'environnement pour le rendre triboélectrique », a déclaré Panzarasa. « L'épicéa est bon marché et disponible et a des propriétés mécaniques favorables. La démarche de fonctionnalisation est assez simple, et elle peut être évolutive au niveau industriel. Ce n'est qu'une question d'ingénierie.
La prochaine étape de l'équipe consiste à trouver des revêtements chimiques ayant une fonction similaire, faciles à utiliser et plus respectueux de l'environnement. "L'objectif ultime est de comprendre les potentialités du bois au-delà de celles déjà connues et de permettre au bois de nouvelles propriétés pour les futurs bâtiments intelligents durables", a déclaré Panzarasa.
Des informations complètes, y compris un description détaillée du fonctionnement TENG, est disponible sans paiement dans l'article "Functionalized wood with tunable tribopolarity for efficient triboelectric nanogenerators", publié dans Matter.