瑞士研究人员正在利用我们脚下的一种意想不到的能源：木地板。他们已经设计出一种方法，以使得人们可以从木质地板上的行走中收集电力，成果已于9月1日发表在杂志《Matter》上。
这项技术被称为纳米发电机，能够从行走中产生足够的电力，为测试中的灯泡供电。该项目的研究人员通过整合特殊的硅树脂涂层和嵌入式纳米晶体的组合，改进了他们的纳米发电机使用的木地板，使设备的效率提高了 80 倍——足以为 LED 灯泡和小型电子设备供电。
该团队首先将两块功能化木材夹在电极之间，从而将木材转化为纳米发电机。就像刚从烘干机中取出的紧贴衬衫的袜子一样，木片在踩到时会通过周期性接触和分离而带电，这种现象称为摩擦起电效应。电子可以从一个物体转移到另一个物体，从而产生电能。然而，用木头制造纳米发电机存在一个问题。
“木材基本上是摩擦中性的，”资深作者 Guido Panzarasa 说，他是位于苏黎世 Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) 和瑞士联邦材料科学与技术实验室 (Empa) Dübendorf 的木材材料科学教授组组长。“这意味着木材没有获得或失去电子的真正趋势。” 这限制了材料发电的能力，“因此挑战在于制造能够吸引和失去电子的木材，”Panzarasa 解释说。
为了提高木材的摩擦电性能，科学家们用聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 涂覆一块木材，这是一种在接触时获得电子的有机硅，同时用原位生长的纳米晶体对另一块木材进行功能化，称为沸石咪唑骨架-8 (ZIF) -8). ZIF-8 是一种金属离子和有机分子的混合网络，具有更高的失电子倾向。他们还测试了不同类型的木材，以确定某些物种或木材的切割方向是否可以作为更好的涂层支架来影响其摩擦电特性。
如何从功能化木材纳米发电机上的脚步声中获取能量以点亮灯泡的原型。图片来源：Sun 等人/Matter
研究人员发现，用径向切割的云杉（欧洲常见的建筑木材）制成的摩擦纳米发电机性能最好。总之，这些处理提高了摩擦纳米发电机的性能：它产生的电力是天然木材的 80 倍。该设备的电力输出在稳定的力量下也能保持稳定，长达 1,500 次循环。
研究人员发现，表面积略小于一张纸的木地板原型可以产生足够的能量来驱动家用 LED 灯和计算器等小型电子设备。当一个成年人走过它时，他们成功地用原型点亮了一个灯泡，将脚步声变成了电。
“我们的重点是展示使用相对环保的程序对木材进行改性以使其摩擦起电的可能性，”Panzarasa 说。“云杉便宜且易于获得，并且具有良好的机械性能。功能化方法非常简单，并且可以在工业水平上进行扩展。这只是一个工程问题。”
除了高效、可持续和可扩展之外，新开发的纳米发电机还保留了木材可用于室内设计的特性，包括其机械坚固性和暖色。研究人员表示，这些功能可能有助于促进木材纳米发电机在智能建筑中作为绿色能源的使用。他们还表示，木结构可以通过在整个材料的整个生命周期中从环境中隔离 CO 2来帮助缓解气候变化。
Panzarasa 和他的团队的下一步是使用更环保且更易于实施的化学涂层进一步优化纳米发电机。“尽管我们最初专注于基础研究，但最终，我们所做的研究应该会在现实世界中得到应用，”Panzarasa 说。“最终目标是了解木材的潜力，超越已知的潜力，并使木材具有新的特性，用于未来的可持续智能建筑。”
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