Ingo Burgert e il suo team dell'Empa e del Politecnico federale di Zurigo lo hanno dimostrato più volte:il legno è molto più di un "solo" materiale da costruzione. La loro ricerca mira ad estendere le caratteristiche esistenti del legno in modo tale che sia adatto a campi di applicazione completamente nuovi. Ad esempio, hanno già sviluppato ad alta resistenza, legno idrorepellente e magnetizzabile. Ora, insieme al gruppo di ricerca Empa di Francis Schwarze e Javier Ribera, il team ha sviluppato un semplice, processo ecologico per la generazione di elettricità da un tipo di spugna di legno, come hanno riportato la scorsa settimana sul giornale Progressi scientifici .

Tensione per deformazione

Se vuoi generare elettricità dal legno, entra in gioco il cosiddetto effetto piezoelettrico. Piezoelettricità significa che una tensione elettrica viene creata dalla deformazione elastica dei solidi. Questo fenomeno è sfruttato principalmente dalla metrologia, che utilizza sensori che generano un segnale di carica, dire, quando viene applicato un carico meccanico. Però, tali sensori utilizzano spesso materiali inadatti all'uso in applicazioni biomediche, come il titanato di zirconato di piombo (PZT), che non può essere utilizzato sulla pelle umana a causa del piombo che contiene. Inoltre, rende piuttosto complicato lo smaltimento ecologico di PZT e Co. Poter utilizzare l'effetto piezoelettrico naturale del legno offre quindi una serie di vantaggi. Se pensato ulteriormente, l'effetto potrebbe essere utilizzato anche per la produzione di energia sostenibile. Ma prima di tutto, il legno deve avere le proprietà appropriate. Senza un trattamento speciale, il legno non è abbastanza flessibile; quando sottoposto a stress meccanico; perciò, nel processo di deformazione viene generata solo una tensione elettrica molto bassa.

Dal blocco alla spugna

Jianguo Sole, un dottorato di ricerca studente nella squadra di Burgert, ha utilizzato un processo chimico che è alla base dei vari "raffinamenti" del legno che il team ha intrapreso negli ultimi anni:la delignificazione. Le pareti cellulari del legno sono costituite da tre materiali di base:lignina, emicellulosa e cellulosa. "La lignina è ciò di cui un albero ha bisogno principalmente per crescere a grandi altezze. Ciò non sarebbe possibile senza la lignina come sostanza stabilizzante che collega le cellule e impedisce alle fibrille di cellulosa rigida di deformarsi, " spiega Burgert. Per trasformare il legno in un materiale facilmente deformabile, la lignina deve essere almeno parzialmente "estratta". Ciò si ottiene mettendo il legno in una miscela di perossido di idrogeno e acido acetico. La lignina viene sciolta in questo bagno acido, lasciando un quadro di strati di cellulosa. "Sfruttiamo la struttura gerarchica del legno senza prima dissolverlo, come nel caso della produzione di carta, Per esempio, e poi dover ricollegare le fibre, " dice Burgert. La spugna di legno bianca che ne risulta è costituita da sottili strati sovrapposti di cellulosa che possono essere facilmente schiacciati insieme e quindi espandere di nuovo nella loro forma originale:il legno è diventato elastico.

Elettricità da pavimenti in legno

Il team di Burgert ha sottoposto il cubo di prova con una lunghezza laterale di circa 1,5 cm a circa 600 cicli di carico. Il materiale ha mostrato una stabilità sorprendente. Ad ogni compressione, i ricercatori hanno misurato una tensione di circa 0,63 V, sufficiente per un'applicazione come sensore. In ulteriori esperimenti, il team ha cercato di ampliare i propri nanogeneratori in legno. Per esempio, sono stati in grado di dimostrare che 30 di questi blocchi di legno, quando caricato in parallelo con il peso corporeo di un adulto, può illuminare un semplice display LCD. Sarebbe quindi pensabile sviluppare un pavimento in legno che sia in grado di convertire in energia elettrica l'energia delle persone che ci camminano sopra. I ricercatori hanno anche testato l'idoneità come sensore di pressione sulla pelle umana e hanno dimostrato che potrebbe essere utilizzato in applicazioni biomediche.

Applicazione in preparazione

Il lavoro descritto nell'ultima pubblicazione del team Empa-ETH, però, fa un passo avanti:l'obiettivo era modificare il processo in modo tale da non richiedere più l'uso di sostanze chimiche aggressive. I ricercatori hanno trovato un candidato adatto che potrebbe effettuare la delignificazione sotto forma di un processo biologico in natura:il fungo Ganoderma applanatum, le cause del marciume bianco del legno. "Il fungo scompone la lignina e l'emicellulosa nel legno in modo particolarmente delicato, " afferma il ricercatore dell'Empa Javier Ribera, spiegando il processo rispettoso dell'ambiente. Cosa c'è di più, il processo può essere facilmente controllato in laboratorio.

Ci sono ancora alcuni passaggi da compiere prima che il legno 'piezo' possa essere utilizzato come sensore o come pavimento in legno per la generazione di elettricità. Ma i vantaggi di un sistema piezoelettrico così semplice e allo stesso tempo rinnovabile e biodegradabile sono ovvi e ora vengono studiati da Burgert e dai suoi colleghi in un progetto di follow-up. E per adattare la tecnologia alle applicazioni industriali, i ricercatori sono già in trattative con potenziali partner di cooperazione.