Хотя может показаться нелогичным даже рассматривать древесину как имеющую функциональную роль в электронике, исследователи продемонстрировали, что можно использовать сильно модифицированную древесину в качестве преобразователя для сбора полезной энергии из низкосортных (также называемых низкотемпературных) источников, таких как тепло тела. Команда из Университета Мэриленда преобразовала этот общий материал, чтобы он мог использовать низкое значение температуры для эффективного генерирования ионного напряжения.
Конечно, это не простой процесс, и окончательный вид дерева не близок к его первоначальному состоянию, как если бы оно было просто вырезано из дерева или бруса. Древесина состоит из трех основных компонентов: целлюлозы (которая делает древесину коричневой и делает ее жесткой и прочной), гемицеллюлозы (которая обматывает слои клеток и связывает их вместе) и лигнина (сложные полимеры, которые придают древесным растениям структуру, прочность и жесткость).
Чтобы получить мембрану на основе целлюлозы, они химически извлекли лигнин и растворили гемицеллюлозу из древесины. После этой обработки, натурально выровненные целлюлозные нановолокна были оставшимся компонентом структуры древесины (рисунок ниже). (Исследователи использовали липу, которая является быстрорастущим деревом с низким воздействием на окружающую среду.)
Схема ионного проводника, состоящего из выровненных целлюлозных нановолокон: целлюлозные волокна естественно выровнены вдоль направления роста дерева (белая стрелка) (а). Целлюлоза демонстрирует иерархическое выравнивание, где нановолокна состоят из выровненных молекулярных цепей целлюлозы (b). Схема ионного устройства после введения (инфильтрации) электролита в нанофлюидную целлюлозную мембрану (с). В условиях теплового смещения (разности температур) нановолокна с поверхностным зарядом регулируют ионное движение с помощью нанофлюидных эффектов (общий эффект, создаваемый высокой степенью удержания и заряженными стенками целлюлозных наноканалов)
Затем они наполнили (как они выразились «инфильтрировали») целлюлозную мембрану электролитом на основе NaOH (натрия) для создания нанофлюидного ионного проводника из выровненных трубок, который затем был помещен между двумя платиновыми электродами для испытаний. Путем наложения разности температур на мембране им удалось выработать дифференциальное тепловое напряжение.
Команда сообщила, что коэффициент теплового градиента (аналог коэффициента термо-ЭДС Зеебека) составляет 24 мВ / К, который, по их мнению, более чем в два раза превышает самое высокое значение, о котором сообщалось ранее. Дифференциальное тепловое напряжение возникает из-за ионной селективности отрицательно заряженных целлюлозных нановолокон и обусловленного этим развития переноса ионов под действием поверхностного заряда, когда в наноканале возникает естественная асимметрия численной плотности положительных и отрицательных ионов.
Для оценки герметичное устройство подвергалось воздействию внешней разницы температур 5,5 °C, и характеристики заряда / разряда сравнивались с параметрами объемного электролита (рисунок ниже). Наполненную электролитом целлюлозную мембрану (красная кривая) заряжали до 0,118 В с временем отклика ~ 70 секунд, тогда как ее объемный аналог (черная кривая) заряжали до 0,050 В с намного более длительным временем отклика ~ 380 секунд.
Характеристики термической зарядки электролитно-инфильтрованной целлюлозной мембраны: цифровое изображение окисленной, выровненной целлюлозной мембраны (а). Схема испытательной установки для нанофлюидного ионного устройства, где окисленная целлюлозная мембрана пропитана полимерным электролитом и помещена между двумя платиновыми электродами (b). При заряде (с) и разряде (d) показано поведения полимерного электролита с окисленной целлюлозной мембраной и без нее.
Как и в большинстве электрохимических процессов, масштабируемость и производство являются основными проблемами. Нанофлюидные устройства обычно изготавливаются либо с помощью последовательности восходящих сборок низкоразмерных структур, либо нано-литографией сверху вниз для формирования наноканалов. Исследователи говорят, что их подход позволяет избежать этих дорогостоящих процессов микро / нанофабрикации, используя натуральные целлюлозные нановолокна из дерева.
Чтобы продемонстрировать масштабируемость до некоторой степени, они изготовили нанофлюидную мембрану 10 × 10 см2, которая оставалась гибкой в значительной степени благодаря внутренним свойствам древесины. Их процесс может позволить совершать небольшой сбор энергии из тепла тела человека, обмотав устройство вокруг руки (как один из примеров использования).
