Investigadores de Suiza están aprovechando una fuente de energía inesperada justo debajo de nuestros pies: los suelos de madera. Su nanogenerador, presentado el 1 de septiembre en la revista Matter , permite que la madera genere energía a partir de nuestras pisadas. También mejoraron la madera utilizada en su nanogenerador con una combinación de un recubrimiento de silicona y nanocristales incrustados, lo que resultó en un dispositivo que era 80 veces más eficiente, suficiente para alimentar bombillas LED y pequeños componentes electrónicos.
El equipo comenzó transformando la madera en un nanogenerador intercalando dos piezas de madera funcionalizada entre electrodos. Como un calcetín que cuelga de una camisa recién sacado de la secadora, las piezas de madera se cargan eléctricamente a través de contactos periódicos y separaciones cuando se pisan, un fenómeno llamado efecto triboeléctrico. Los electrones pueden transferirse de un objeto a otro, generando electricidad. Sin embargo, hay un problema al hacer un nanogenerador de madera.
“La madera es básicamente triboneutral”, dice el autor principal Guido Panzarasa, líder del grupo en la cátedra de Ciencia de Materiales de Madera ubicada en Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) en Zürich y los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa) en Dübendorf. "Significa que la madera no tiene una tendencia real a adquirir o perder electrones". Esto limita la capacidad del material para generar electricidad, "por lo que el desafío es hacer madera que sea capaz de atraer y perder electrones", explica Panzarasa.
Para aumentar las propiedades triboeléctricas de la madera, los científicos recubrieron una pieza de la madera con polidimetilsiloxano (PDMS), una silicona que gana electrones al entrar en contacto, mientras funcionalizan la otra pieza de madera con nanocristales cultivados in situ llamados imidazolato zeolítico marco-8 (ZIF -8). ZIF-8, una red híbrida de iones metálicos y moléculas orgánicas, tiene una mayor tendencia a perder electrones. También probaron diferentes tipos de madera para determinar si ciertas especies o la dirección en la que se corta la madera podrían influir en sus propiedades triboeléctricas al servir como un mejor andamio para el revestimiento.
Los investigadores encontraron que un nanogenerador triboeléctrico hecho con abeto cortado radialmente, una madera común para la construcción en Europa, tuvo el mejor desempeño. Juntos, los tratamientos potenciaron el rendimiento del nanogenerador triboeléctrico: generó 80 veces más electricidad que la madera natural. La producción de electricidad del dispositivo también se mantuvo estable bajo fuerzas constantes durante hasta 1.500 ciclos.
Los investigadores encontraron que un prototipo de piso de madera con un área de superficie ligeramente más pequeña que una hoja de papel puede producir suficiente energía para impulsar lámparas LED domésticas y pequeños dispositivos electrónicos como calculadoras. Encendieron con éxito una bombilla con el prototipo cuando un adulto humano caminó sobre ella, convirtiendo los pasos en electricidad.
“Nuestro enfoque fue demostrar la posibilidad de modificar la madera con procedimientos relativamente amigables con el medio ambiente para convertirla en triboeléctrica”, dice Panzarasa. “El abeto es barato y está disponible y tiene propiedades mecánicas favorables. El enfoque de funcionalización es bastante simple y puede ser escalable a nivel industrial. Es solo una cuestión de ingeniería".
Además de ser eficiente, sostenible y escalable, el nanogenerador de nuevo desarrollo también conserva las características que hacen que la madera sea útil para el diseño de interiores, incluida su robustez mecánica y colores cálidos. Los investigadores dicen que estas características podrían ayudar a promover el uso de nanogeneradores de madera como fuentes de energía verde en edificios inteligentes. También dicen que la construcción con madera podría ayudar a mitigar el cambio climático al secuestrar CO2 del medio ambiente a lo largo de la vida útil del material.
El siguiente paso para Panzarasa y su equipo es optimizar aún más el nanogenerador con recubrimientos químicos más ecológicos y fáciles de implementar. “Aunque inicialmente nos enfocamos en la investigación básica, eventualmente, la investigación que hagamos debería conducir a aplicaciones en el mundo real”, dice Panzarasa. “El objetivo final es comprender las potencialidades de la madera más allá de las ya conocidas y habilitar la madera con nuevas propiedades para futuros edificios inteligentes sostenibles”.
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