Швейцарські вчені знайшли ще один спосіб людину як джерело енергії та пристосували для цього підлогу. Електроди між двома шарами деревини, трибоелектричний ефект, а також крокування по зразку, виробили напругу у 24,3 вольта, чого вистачило на лампу, розумне скло і калькулятор. Про те, як змусити дерев'яну підлогу витягувати користь від ваших подорожей домівкою, матеріалознавці повідомили у журналі Matter.
Jianguo Sun et. al. / Matter, 2021
Чому цього не придумали раніше?
Все більше уваги привертають концепції «розумного будинку», які пропонують побудувати із вашої домівки цілу екосистему із приладів, що працюватимуть на ваш комфорт. Втім, із вимогами до екологічності їм справлятися не вдається, поки більшість девайсів покладаються на джерела живлення з обмеженим терміном служби, як-то батарейки, наприклад. Але поруч із розумними будинками став з'являтися і розумний одяг, який активно експлуатує явище трибоелектричного ефекту — перетворює механічну енергію (від тертя матеріалів чи кроків, наприклад) на електричний заряд. Джерело руху для трибоелектричного ефекту не важливе, а ефективності якраз вистачає для невеликих девайсів: годинників, пульсометрів або іграшок. Наприклад, не так давно ми писали про рюкзак, який за допомогою трибоелектрогенераторів зібрав енергію та підживив світлодіоди, люмінесцентну лампу і навіть електричний годинник (а заразом і знизив навантаження на спину). Втім, деякі обмеження трибоелектрика все ж має — матеріали повинні вміти добре притягувати і віддавати електрони на благо струму. І у деревини — одного з найпоширеніших екологічних будівельних матеріалів, такого немає. Вона слабко поляризується, а отже не здатна генерувати поверхневі заряди, необхідні для створення трибоелектричного ефекту. У спектрі трибоелектричного ряду, що визначає, якого заряду набуде внаслідок механічної дії матеріал, деревина знаходиться майже посередині і близька до електронейтральності. Це власне і пояснює відсутність значного прогресу у розробці трибогенераторів на основі деревини. Від неї можна добитися енергії для заряджання телефона тільки якщо поєднати із сильно поляризованими матеріалами, однак тоді вона втрачає свої характеристики, а головне — можливість вторинної переробки.
Як змусити деревину заряджати телефони?
Оскільки саму по собі деревину таку корисну роботу виконувати не змусиш, її все ж потрібно з чимось поєднувати. У цій роботі матеріалознавці з Цюрихського університету технології звернулися до металоорганічних каркасів (MOF) — гібридних пористих матеріалів зі зв'язаних іонів металів. Вони володіють трибоелектричним ефектом та легко піддаються модифікаціям, а покриття ними деревини жодним чином не вплине на її конструкційні характеристики. Для цієї роботи вчені обрали два види MOF, що утворювали позитивно та негативно заряджені електрони. Він утворює позитивні заряди та при цьому дає змогу налаштовувати геометрію решітки та впливати на шорсткість поверхні самої деревини. Це важливий параметр, адже від нього у тому числі залежить ефективність перетворення механічної енергії на електричну. Тому дослідники вирішили перевірити три види деревини з огляду на їхню мікро- і нанорозмірну шорсткість: бальсове дерево, тис і ялину, а також використали різні напрямки різання, що також впливає на структуру через ієрархічну внутрішню будову деревини. Здатність модифікованої деревини генерувати енергію із кроків порівнювали із трибоелектричністю звичайної деревини, крокуючи зразками. Загалом вдалося добитися більш як у 80 разів вищої ефективності, а енергії вистачило для живлення побутових пристроїв від ламп до калькуляторів та навіть «розумного вікна», що змінює свої оптичні властивості залежно від умов освітлення.
З чого робити підлогу?
Загалом конструкція виглядає так: між модифікованими шарами деревини розміщуються електроди, які мають передавати енергію назовні. Якщо на таку підлогу наступити із силою до 50 ньютонів, то шари стикнуться, а між ними виникне контактна електризація і вони обміняються протилежними зарядами. Металоорганічні каркаси вирощувалися шляхом кристалізації розчинів одразу на поверхні. Аналізуючи структуру різних зразків, дослідники дійшли висновку, що бальсове дерево завдяки своїй пористій структурі демонструвало найвищу потужність та генерувало напругу у 24,3 вольта з невеликими коливаннями протягом 1500 циклів. Кількість витриманих циклів використання свідчить також і про високу стабільність композиту, тим паче що і деревина зберегла свої механічні характеристики. Вироблена такою підлогою електроенергія може одразу направлятися до приладів, а може зберігатися, наприклад, у конденсаторі для подальшого використання. Вчені зазначають, що товщина деревини у цій роботі значно більша за типові невеликі трибоелектричні пристрої, що може послаблювати ефект, зменшуючи електричну потужність. Але таким чином вдалося залишити композит будівельним матеріалом, який можна піддавати вторинній переробці.