La natura non è sempre generosa con i suoi segreti. Ecco perché alcuni ricercatori cercano in luoghi insoliti soluzioni alle nostre sfide più difficili, da potenti antibiotici nascosti nelle viscere di minuscoli vermi, a veloci robot ispirati ai pipistrelli.

Ora, I ricercatori del nordest si sono rivolti agli alberi per cercare modi per creare nuovi materiali sostenibili da abbondanti risorse naturali, in particolare, all'interno della struttura chimica delle microfibre che compongono il legno.

Una squadra guidata da Hongli (Julie) Zhu, un assistente professore di ingegneria meccanica e industriale alla Northeastern, sta utilizzando nanomateriali unici derivati ​​dalla cellulosa per migliorare il tipo di batterie grandi e costose necessarie per immagazzinare energia rinnovabile sfruttata da fonti come la luce solare e il vento.

Cellulosa, il polimero naturale più abbondante sulla Terra, è anche il più importante componente strutturale delle piante. Contiene importanti strutture molecolari per migliorare le batterie, ridurre l'inquinamento da plastica, e alimentare il tipo di reti elettriche che potrebbero supportare intere comunità con energia rinnovabile, dice Zhu.

"Cerchiamo di utilizzare polimeri del legno, dalla corteccia, dai semi, dai fiori, batteri, tè verde:da questo tipo di piante per sostituire la plastica, " dice Zhu.

Una delle principali sfide nell'immagazzinare energia dal sole, vento, e altri tipi di energie rinnovabili è che la variazione di fattori come il tempo porta a fonti di energia inconsistenti.

È qui che entrano in gioco le batterie di grande capacità. Ma immagazzinare le grandi quantità di energia che la luce solare e il vento sono in grado di fornire richiede un tipo speciale di dispositivo.

Le batterie più avanzate per farlo sono chiamate batterie a flusso, e sono realizzati con ioni di vanadio disciolti in acido in due serbatoi separati, uno con una sostanza di ioni caricati negativamente, e uno con quelli positivi. Le due soluzioni vengono continuamente pompate dal serbatoio in una cella, che funziona come un motore per la batteria.

Queste sostanze sono sempre separate da una speciale membrana che garantisce lo scambio di ioni idrogeno positivi senza fluire l'una nell'altra. Questo scambio selettivo di ioni è alla base della capacità della batteria di caricare e scaricare energia.

Le batterie a flusso sono dispositivi ideali in cui immagazzinare energia solare ed eolica perché possono essere ottimizzate per aumentare la quantità di energia immagazzinata senza compromettere la quantità di energia che può essere generata. Più grandi sono i serbatoi, più energia può immagazzinare la batteria da risorse non inquinanti e praticamente inesauribili.

Ma la loro produzione richiede diversi pezzi di hardware in movimento. Quando la membrana che separa le due sostanze che scorre decade, può causare la miscelazione degli ioni vanadio dalla soluzione. Quel crossover riduce la stabilità di una batteria, insieme alla sua capacità di immagazzinare energia.

Zhu dice che l'efficienza limitata di quella membrana, unito al suo alto costo, sono i principali fattori che impediscono alle batterie di flusso di essere ampiamente utilizzate nelle reti di grandi dimensioni.

In un recente documento, Zhu ha riferito che una nuova membrana realizzata con nanocristalli di cellulosa dimostra un'efficienza superiore rispetto ad altre membrane comunemente utilizzate sul mercato. Il team ha testato diverse membrane realizzate con nanocristalli di cellulosa per rendere più economiche le batterie a flusso.

"Il costo della nostra membrana per metro quadrato è di 147,68 dollari USA, "Zhu dice, aggiungendo che i suoi calcoli non includono i costi associati al marketing. "La quotazione del prezzo per la membrana Nafion commercializzata è di $ 1, 321 per metro quadrato."

I loro test hanno anche mostrato che le membrane, realizzato con il supporto della Rogers Corporation e del suo Innovation Center presso il Kostas Research Institute di Northeastern, può offrire una durata della batteria sostanzialmente più lunga rispetto ad altre membrane.

La membrana di origine naturale di Zhu è particolarmente efficiente perché la sua struttura cellulare contiene migliaia di gruppi idrossilici, che coinvolgono legami di idrogeno e ossigeno che rendono facile il trasporto dell'acqua nelle piante e negli alberi.

Nelle batterie di flusso, che la composizione molecolare accelera il trasporto dei protoni mentre scorrono attraverso la membrana.

La membrana è costituita anche da un altro polimero noto come poli(fluoruro di vinilidene-esafluoropropilene), che impedisce agli acidi carichi negativamente e positivamente di mescolarsi tra loro.

"Per questi materiali, una delle sfide è che è difficile trovare un polimero che sia conduttivo protonico e che sia anche un materiale molto stabile nell'acido che scorre, " dice Zhu.

Poiché questi materiali sono praticamente ovunque, le membrane realizzate con esso possono essere facilmente assemblate su larga scala necessarie per reti elettriche complesse.

A differenza di altri materiali artificiali costosi che devono essere preparati in laboratorio, la cellulosa può essere estratta da fonti naturali tra cui alghe, rifiuti solidi, e batteri.

"Molto materiale in natura è un composito, e se disintegramo i suoi componenti, possiamo usarlo per estrarre cellulosa, " dice Zhu. "Come i rifiuti del nostro cortile, e un sacco di rifiuti solidi di cui non sempre sappiamo cosa fare."