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瑞士科研人员成功将轻木制成压电材料

时间:2021-04-08     【转载】   来自:国际板材与家居

来自苏黎世联邦理工学院(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, ETH Zürich)的英戈·伯格(Ingo Burgert)和他的研究团队致力于通过改变木材性能来开发木材的新用途,使其具备全新的特性,以此来提高木材的泛用性。他的团队已经开发出高强度、可防水和可磁化的木材。近期,该团队与来自瑞士联邦材料科学与技术实验室(Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Empa)的弗朗西斯·施瓦兹(Francis Schwarze)所领导的研究小组组成联合研究小组,利用化学和生物工艺,对木材进行了改性处理,制作出了木质海绵,使其可压缩性更强。经过处理的木材就变成了迷你“发电机”——能够产生正压电效应,即当压电材料受到机械应力时发生弹性形变,产生电压。这样的木材既可用作生物传感器,也可用作可收集能量的新型建筑材料。

木材细胞壁由三种材料组成:木质素、半纤维素和纤维素。为了将木材原有性状转化为所需性状,细胞壁中的木质素必须被去除。伯格博士表示:“木质素是树木稳定长高所需要的物质,主要作用是防止纤维素纤维弯曲。任何一棵树中都一定含有木质素。”木材有天然的压电效应,但只能产生很低的电压。如果想提高电压,就必须改变木材的化学成分,这也同时会使得木材的可压缩性变高。

几个月前,伯格团队的博士生孙建国(音)与来自苏黎世联邦理工学院和瑞士联邦材料科学与技术实验室的同事一起在《ACS Nano》(业界高级期刊)上发表了一篇论文,其中展示了如何用化学方法去除木质素后,使木材产生所需形变。

研究人员通过将木材置于双氧水和乙酸的混合物中,实现对木材木质素的脱除。酸会溶解木质素,留下具有纤维素层的框架。该工艺保留了木材的分层结构,并防止了单根纤维的分解。这样一来,一块轻木就变成了白色的木质海绵,由一层又一层的薄纤维素组成。孙建国(音)表示:“木质海绵产生的电压是未经处理的木材的85倍。”

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该团队对一个边长约为1.5厘米的立方体木质海绵进行了约600次压力测试,测量到的平均电压约为0.63伏,这表明这种材料适用于制作传感器。大多数用于制作传感器的材料不能直接用于生物医学领域(含有毒性,如PZT锆钛酸铅),必须经过价格高昂的特殊处理才可使用。如果能使用这种木材制作生物传感器,将大幅降低制作成本。

在进一步的实验中,该团队测试了木质海绵的可扩展性。如果将30块这样的木质海绵连接起来,并均匀地负载一个成年人的体重,所产生的电力足以为常规液晶显示器供电。

在刚刚发表在《科学进展(Science Advances)》杂志上的一篇文章中,研究团队已经在开发使用有机技术生产木质海绵。目前该团队发现灵芝(Ganoderma applanatum)真菌可起到白腐真菌的效果,缓慢降解木质素和半纤维素。虽然目前用这种方式制备的木块所产生的电压比采用化学方法的低,但是这个制备方式更环保,具有可再生优势,成本更低。

虽然新型材料距离投入大规模商用还有一定距离,不过研究小组正与各方探讨如何使该技术适应工业化生产,以及为产品找到更准确的市场定位。