Требуются два слоя древесины, один покрытый методом центрифугирования ПДМС (полидиметилсилоксан) - акцептором электронов при контакте («трибоотрицательный»), а другой - нанокристаллами ZIF-8, выращенными на одной поверхности - ZIF-8 (цеолитовый имидазолат). framework-8) представляет собой электронодонорный («трибопозитивный») «металлоорганический каркас».
«Древесина по своей сути трибонейтральна», — сказал ученый Гвидо Панзараса из ETH Zürich и Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и Технологии (Эмпа). «Это означает, что древесина не имеет реальной склонности приобретать или терять электроны, поэтому задача состоит в том, чтобы создать древесину, способную притягивать и терять электроны».
Не то чтобы дерево по своей структуре - тупая губка. Вместо этого он обеспечивает прочность и ударную вязкость, которых не хватает естественным трибоэлектрическим материалам, а его шероховатость поверхности необходима для генерации тока, поскольку это форма TENG (трибоэлектрический наногенератор). Удачная поверхность TENG должна иметь высокую нано-шероховатость для большой площади поверхности, без высоких выступов, которые будут препятствовать тесному контакту с противоположными поверхностями.
Древесина, в данном случае толщиной 1 мм, также действует как изолятор, предотвращая проводимость между трибоактивными поверхностями и электродами на обратной стороне листов.
В нынешнем поколении листы эксплуатируются трибоактивными поверхностями, обращенными (см. схему), а с внешним схема подключен между задними электродами.
Обновление: как это работает
Если трибо-положительный ZIF-8-дерево прижимается к трибо-отрицательному PDMS-дереву, электроны переносятся через поверхность ZIF-8-wood до тех пор, пока не будет достигнуто стабильное состояние - заряды нейтрализуются и нет чистого внешнего электрического поля.
Если затем листам дать возможность разойтись, тесный поверхностный контакт разорвется, и поверхность PDMS-дерево сохранит приобретенные электроны.
Без тесного контакта с ZIF-8 избыточные электроны в слое PDMS придают ему отрицательный заряд.
Противоположная ситуация произошла с ЗИФ-8-дерево, придающим его слою ЗИФ-8 положительный заряд.
В результате внезапного появления этих двух зарядов электроны протекают между задними электродами (от ПДМС-деревянный электрод к ЗИФ-8-деревянному электроду) до тех пор, пока заряды не будут нейтрализованы: от ЗИФ-8 поступил импульс тока. -дерево в PDMS-дерево (большое спасибо за эту путаницу, мистер Франклин…)
Когда листы снова прижимаются друг к другу, импульс тока течет в обратном направлении, и именно эти импульсы выпрямляются и сохраняются для использования - например, исследователи включили калькулятор. См. Ниже более подробное описание работы TENG.
Из испытанной древесины бальзы, ели и тиса лучше всего подействовала радиально обрезанная ель, генерирующая 24 В разомкнутой цепи и короткое замыкание 320 мкА при нажатии с силой 50 Н. Производительность не уменьшилась до 1,500 циклов.
«Нашей целью было продемонстрировать возможность модификации древесины с помощью относительно экологически безопасных процедур, чтобы сделать ее трибоэлектрической», - сказал Панзараса. «Ель дешевая, доступная и обладает хорошими механическими свойствами. Подход к функционализации довольно прост, и его можно масштабировать на промышленном уровне. Это всего лишь вопрос инженерии ».
Следующим шагом команды является поиск химических покрытий с аналогичными функциями, которые были бы просты в использовании и более экологичны. «Конечная цель - понять потенциальные возможности древесины, выходящие за рамки уже известных, и придать древесине новые свойства для будущих устойчивых умных зданий», - сказал Панзараса.
Полная информация, включая подробное описание работы ТЭНа, доступен бесплатно в статье «Функционализированная древесина с настраиваемой трибополярностью для эффективных трибоэлектрических наногенераторов», опубликованной в Matter.