Er zijn twee lagen hout nodig, één met spincoating met PDMS (polydimethylsiloxaan) - een elektronenacceptor bij contact ('tribonegatief') - en de andere met nanokristallen van ZIF-8 die op één oppervlak zijn gegroeid - ZIF-8 (zeolitisch imidazolaat framework-8) is een elektronendonerend ('tribo-positief') 'metaal-organisch raamwerk'.
“Hout is in principe triboneutraal”, zegt wetenschapper Guido Panzarasa van ETH Zürich en de Zwitserse Federale Laboratoria voor Materiaalwetenschappen en Technologie (Empa). "Het betekent dat hout niet echt de neiging heeft om elektronen te verwerven of te verliezen, dus de uitdaging is om hout te maken dat elektronen kan aantrekken en verliezen."
Niet dat het hout een domme spons is in de structuur. In plaats daarvan biedt het sterkte en taaiheid die de van nature tribo-elektrische materialen missen, en de oppervlakteruwheid ervan is vereist voor de huidige generatie, aangezien dit een vorm van TENG (tribo-elektrische nanogenerator) is. Een succesvol TENG-oppervlak moet een hoge ruwheid op nanoschaal hebben voor een groot oppervlak, zonder hoge pieken die nauw contact met tegenoverliggende oppervlakken voorkomen.
Het hout, in dit geval 1 mm dik, fungeert ook als een isolator, waardoor geleiding tussen de tribo-actieve vlakken en elektroden op de achterkant van de platen wordt voorkomen.
Voor de huidige generatie worden de platen bediend met hun tribo-actieve oppervlakken naar (zie diagram), en met de externe circuit aangesloten tussen de achterste elektroden.
Update: Hoe het werkt
Als het tribo-positieve ZIF-8-hout tegen het tribo-negatieve PDMS-hout wordt gedrukt, gaan elektronen over van het ZIF-8-houtoppervlak totdat een stabiele toestand is bereikt – de ladingen worden opgeheven en er is geen netto extern elektrisch veld.
Als de platen dan uit elkaar springen, verbreekt het intieme oppervlaktecontact en behoudt het PDMS-houten oppervlak zijn verworven elektronen.
Zonder nauw contact met de ZIF-8 geven de overtollige elektronen in de PDMS-laag het een negatieve lading.
Het tegenovergestelde is gebeurd met het ZIF-8-hout, waardoor de ZIF-8-laag een positieve lading kreeg.
Het netto-effect van deze twee ladingen die plotseling verschijnen, is dat elektronen tussen de achterste elektroden stromen (PDMS-houtelektrode naar ZIF-8-houtelektrode) totdat de ladingen zijn geneutraliseerd: er is een stroomstoot geduwd van ZIF-8 -hout naar PDMS-hout (heel erg bedankt voor deze verwarring meneer Franklin...)
Als de vellen nog een keer tegen elkaar worden gedrukt, vloeit er een stroomstoot de andere kant op terug, en het zijn deze pulsen die worden gecorrigeerd en opgeslagen voor gebruik - de onderzoekers hebben bijvoorbeeld een rekenmachine aangestuurd. Zie hieronder voor een meer gedetailleerde beschrijving van de TENG-werking.
Van het geteste balsa-, sparren- en taxushout werkte radiaal gesneden sparrenhout het beste, met een open circuit van 24 V en kortsluiting van 320 A wanneer met een kracht van 50 N erop gedrukt. De output nam niet af tot 1,500 cycli.
"Onze focus was om de mogelijkheid aan te tonen om hout te modificeren met relatief milieuvriendelijke procedures om het tribo-elektrisch te maken," zei Panzarasa. “Vuren is goedkoop en beschikbaar en heeft gunstige mechanische eigenschappen. De functionaliseringsaanpak is vrij eenvoudig en kan schaalbaar zijn op industrieel niveau. Het is alleen een kwestie van techniek.”
De volgende stap van het team is het vinden van chemische coatings met een vergelijkbare functie die gebruiksvriendelijker en milieuvriendelijker zijn. "Het uiteindelijke doel is om de mogelijkheden van hout te begrijpen die verder gaan dan de reeds bekende en om hout met nieuwe eigenschappen mogelijk te maken voor toekomstige duurzame slimme gebouwen", aldus Panzarasa.
Volledige informatie, inclusief een gedetailleerde beschrijving van TENG-bewerking:, is zonder betaling verkrijgbaar in het artikel 'Gefunctionaliseerd hout met afstembare tribopolariteit voor efficiënte tribo-elektrische nanogeneratoren', gepubliceerd in Matter.