Sono richiesti due strati di legno, uno spin-coated con PDMS (polidimetilsilossano) - un accettore di elettroni a contatto ("tribo-negativo") - e l'altro con nanocristalli di ZIF-8 cresciuti in una superficie - ZIF-8 (zeolitico imidazolato framework-8) è un "quadro metallo-organico" donatore di elettroni ("tribo-positivo").
"Il legno è fondamentalmente triboneneutrale", afferma lo scienziato Guido Panzarasa dell'ETH di Zurigo e dei Laboratori federali svizzeri di scienza dei materiali e Tecnologia (Empa). “Significa che il legno non ha una reale tendenza ad acquisire o perdere elettroni, quindi la sfida è creare un legno che sia in grado di attrarre e perdere elettroni”.
Non che il legno sia una stupida spugna nella struttura. Invece, fornisce resistenza e tenacità che mancano ai materiali triboelettrici naturali e la sua rugosità superficiale è richiesta per la generazione attuale in quanto si tratta di una forma di TENG (nanogeneratore triboelettrico). Una superficie TENG di successo deve avere un'elevata rugosità su nanoscala per un'area superficiale elevata, senza picchi alti che impediscano il contatto ravvicinato con le superfici opposte.
Il legno, in questo caso di spessore 1mm, funge anche da isolante, impedendo la conduzione tra le facce triboattive e gli elettrodi posti sul retro delle lastre.
Per la generazione attuale, le lastre vengono azionate con le loro superfici triboattive affacciate (vedi diagramma), e con l'esterno circuito collegato tra gli elettrodi posteriori.
Aggiornamento: come funziona
Se il legno ZIF-8 tribo-positivo viene forzato contro il legno PDMS tribo-negativo, gli elettroni si trasferiscono dalla superficie del legno ZIF-8 fino a quando non viene raggiunto uno stato stabile - le cariche si annullano e non c'è campo elettrico esterno netto.
Se i fogli vengono quindi lasciati separare, l'intimo contatto superficiale si rompe e la superficie del legno PDMS mantiene i suoi elettroni acquisiti.
Senza uno stretto contatto con lo ZIF-8, gli elettroni in eccesso nello strato PDMS gli conferiscono una carica negativa.
La cosa opposta è successa con il legno ZIF-8, dando al suo strato ZIF-8 una carica positiva.
L'effetto netto di queste due cariche che appaiono improvvisamente è di far fluire gli elettroni tra gli elettrodi posteriori (elettrodo di legno PDMS a elettrodo di legno ZIF-8) fino a quando le cariche non vengono neutralizzate: un impulso di corrente è stato spinto da ZIF-8 -wood to PDMS-wood (grazie mille per questa confusione Mr Franklin...)
Quando i fogli vengono nuovamente forzati insieme, un impulso di corrente scorre indietro nell'altro senso, e sono questi impulsi che vengono rettificati e memorizzati per l'uso: i ricercatori, ad esempio, hanno alimentato una calcolatrice. Vedere di seguito per una descrizione più dettagliata del funzionamento di TENG.
Tra i legni testati in balsa, abete rosso e tasso, l'abete rosso tagliato radialmente ha funzionato meglio, generando un circuito aperto di 24 V e un cortocircuito di 320 μA quando premuto con una forza di 50 N. La produzione non è diminuita fino a 1,500 cicli.
"Il nostro obiettivo era dimostrare la possibilità di modificare il legno con procedure relativamente rispettose dell'ambiente per renderlo triboelettrico", ha affermato Panzarasa. “L'abete rosso è economico e disponibile e ha proprietà meccaniche favorevoli. L'approccio alla funzionalizzazione è abbastanza semplice e può essere scalabile a livello industriale. È solo una questione di ingegneria».
Il prossimo passo del team è trovare rivestimenti chimici con funzioni simili che siano facili da usare e più rispettosi dell'ambiente. "L'obiettivo finale è comprendere le potenzialità del legno oltre a quelle già note e consentire al legno di avere nuove proprietà per futuri edifici intelligenti sostenibili", ha affermato Panzarasa.
Informazioni complete, incluso a descrizione dettagliata del funzionamento TENG, è disponibile gratuitamente nel documento "Legno funzionalizzato con tribopolarità sintonizzabile per nanogeneratori triboelettrici efficienti", pubblicato su Matter.