Pavimento in parquet che genera energia

Il team di Ingo Burgert all'Empa e all'ETH di Zurigo ha spesso dimostrato che il legno può essere utilizzato non solo per la costruzione. Il lavoro di ricerca spesso comporta l'espansione delle proprietà esistenti del legno in modo che sia adatto per aree di applicazione completamente nuove. Per esempio, è già stato creato un legno ad alta resistenza, idrorepellente o magnetizzabile. Ora, insieme al gruppo di ricerca dell'Empa guidato da Francis Schwarze e Javier Ribera, il team ha sviluppato un processo semplice ed ecologico per generare tensione elettrica con una specie di spugna di legno, come hanno riportato la scorsa settimana nella rinomata rivista Science Advances.

Sforzo dovuto alla deformazione

Se si vuole generare una tensione elettrica con il legno, entra in gioco il cosiddetto effetto piezoelettrico. La piezoelettricità significa che la deformazione elastica dei solidi crea una tensione elettrica. La tecnologia di misurazione, in particolare, sfrutta questo fenomeno utilizzando sensori che generano un segnale di carica quando sono sottoposti a sollecitazioni meccaniche, per esempio. Tuttavia, tali sensori spesso usano materiali che non sono adatti all'uso in campo biomedico, come il titanato di zirconato di piombo (PZT), che non è adatto all'uso sulla pelle a causa del piombo. Inoltre, rende difficile lo smaltimento ecologico di PZT e co. Essere in grado di utilizzare l'effetto piezoelettrico naturale del legno offre quindi alcuni vantaggi. Se pensiamo oltre, l'effetto potrebbe anche essere utilizzato per la generazione di energia sostenibile. Ma prima, bisogna dare al legno le proprietà appropriate. Perché senza un trattamento speciale del legno, solo una tensione elettrica molto bassa viene generata nel processo di deformazione quando è sottoposto a stress meccanico.

 Dal blocco alla spugna

Jianguo Sun, uno studente di dottorato nel team di Burgert, ha utilizzato un processo che costituisce la base per vari ulteriori sviluppi del legno: la delignificazione. Le pareti cellulari del legno sono composte da tre sostanze di base: Lignina, emicellulose e cellulosa. "Un albero ha bisogno di lignina soprattutto per poter crescere lontano nell'aria. Senza la lignina come sostanza stabilizzante che collega le cellule e impedisce alle fibrille di cellulosa in trazione di piegarsi, questo non sarebbe possibile", spiega Burgert.

Per convertire il legno in un materiale facilmente modellabile, la lignina deve essere almeno parzialmente "sciolta". Questo si ottiene mettendo il legno in una miscela di perossido di idrogeno e acido acetico. Nel bagno acido, la lignina viene sciolta, lasciando un'ossatura di strati di cellulosa. In questo processo, il team di Burgert si è preoccupato di lavorare con processi relativamente semplici e rispettosi dell'ambiente: "Sfruttiamo la struttura gerarchica del legno senza doverlo prima sciogliere e poi ricollegare le fibre, come nella produzione della carta, per esempio." La spugna di legno bianco che ne risulta è composta da sottili strati di cellulosa uno sull'altro, che possono essere facilmente pressati insieme e poi espandersi di nuovo nella loro forma originale.

Elettricità dal pavimento di legno

Il gruppo di ricerca ha sottoposto il cubo di prova con un lato di circa 1,5 cm a circa 600 cicli di carico. Il materiale ha mostrato una stabilità sorprendente. Con ogni carico, i ricercatori hanno misurato una tensione di circa 0,63 V - una tensione che sarebbe utile per un'applicazione come sensore. In ulteriori esperimenti, il team ha cercato di esplorare la possibile scalabilità di questo nanogeneratore. Per esempio, sono stati in grado di dimostrare che 30 di questi blocchi di legno, se caricati in parallelo con il peso del corpo di un adulto, potrebbero già illuminare un semplice display LCD. Con un'ulteriore ottimizzazione del processo, sarebbe anche pensabile avere un parquet funzionalizzato che converte l'energia dei calci in elettricità. I ricercatori hanno testato l'idoneità come sensore sensibile alla pressione sulla pelle umana, dimostrando così che sarebbe possibile anche un'applicazione in campo medico.

Applicazione in preparazione

Il lavoro sull'ultima pubblicazione del team dell'Empa-ETH di Zurigo, tuttavia, va un passo oltre: l'obiettivo era quello di modificare il processo in modo tale che non richiedesse sostanze chimiche aggressive. I ricercatori hanno trovato un candidato adatto che può effettuare la delignificazione sotto forma di un processo biologico in natura: il fungo Ganoderma applanatum causa la putrefazione bianca del legno. "Il fungo rompe la lignina e l'emicellulosa del legno in modo particolarmente delicato", dice il ricercatore dell'Empa Javier Ribera, spiegando il processo ecologico. Inoltre, il processo può essere facilmente controllato in laboratorio.
Ci sono ancora alcuni passi da fare prima che il legno "piezo" possa essere utilizzato come sensore o come parquet generatore di energia. Ma i vantaggi di un sistema piezoelettrico così semplice e allo stesso tempo rinnovabile e biodegradabile sono evidenti - e vengono ora studiati da Burgert e dai suoi colleghi in ulteriori progetti di ricerca. E al fine di adattare la tecnologia per l'applicazione industriale, i ricercatori sono già in trattative con possibili partner di cooperazione.