Un sensor autoalimentado hecho de plantas

12 de septiembre de 2023

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por la Universidad de Groningen

La historia de la investigación de Qi Chen está llena de casualidades. En el primer año de su doctorado, estaba con amigos en el campus Zernike de la universidad, discutiendo los temas de sus investigaciones. Chen les dijo que iba a estudiar materiales parecidos a la espuma. Un amigo estaba pela de forma casual el tallo de una planta parecida a la hierba, revelando así su interior que parecía tener una estructura abierta y aireada. De forma broma, sugirió que Chen podría querer estudiarlo. Ella lo guardó en su mochila y luego lo olvidó por completo. 

Casi dos años después, Chen encontró de nuevo la planta en su mochila. Había estado intentando inducir electricidad a partir de bacterias, utilizando materiales espumosos como su ambiente de vida. Los resultados no eran prometedores, así que decidió echarle un vistazo más de cerca a esta planta parecida a la hierba: una maleza común de humedales llamada juncia (Juncus effusus L.).

'La estructura del tallo de la juncia consiste en capas de estrellas interconectadas, como pequeños copos de nieve', explica Chen. Estas capas se apilan una encima de la otra, creando una estructura que permite que fluya mucho aire. Chen dice: 'Mis muestras eran ultra ligeras. Una vez, dejé las muestras sin cubrir y al abrir la puerta del laboratorio, las muestras se volaron. Parecía que había nevado en el pasillo'.

El interior de muchas plantas acuáticas o de humedales consiste en una estructura abierta similar, llamada aerénquima. 'La planta necesita esta estructura abierta para respirar', dice Chen, 'porque con sus raíces en un ambiente húmedo, necesitan tomar oxígeno del aire y transportarlo a través del tallo'. Resulta que este material también es una gran fuente alternativa para espumas naturales basadas en plantas.

La forma única de los pequeños copos de nieve en el tallo de la juncia también era perfecta para construir un nanogenerador: un pequeño dispositivo que produce una carga eléctrica, que puede utilizarse como sensor o fuente de energía. Un nanogenerador de este tipo puede ayudar a hacer más sostenible la tendencia actual de dispositivos portátiles cada vez más pequeños, reemplazando las baterías que al final terminan en residuos electrónicos.

Junto con sus colegas Wenjian Li y Feng Yan, Chen construyó un nanogenerador del tamaño de un sello postal, aproximadamente un milímetro de grosor. Funciona como un sensor de movimiento, explica la coautora Dina Maniar: 'Puedes ponerlo en tu zapato y cuando camines, saltes o corras, libera una señal distintiva que podemos reconocer'.

Este pequeño dispositivo se basa en el mismo fenómeno que te da una descarga cuando tocas una perilla de la puerta después de caminar sobre una alfombra: el llamado efecto triboeléctrico. Consiste en dos capas pequeñas con superficies rugosas. Las dos capas se mantienen separadas por un separador, pero al presionar hay fricción entre las capas, lo que crea una carga eléctrica, al igual que la carga eléctrica que se acumula cuando arrastras los pies sobre una alfombra. Maniar dice: 'Esto nos permite convertir el movimiento en señales eléctricas'.

Los pequeños copos de nieve de la planta juncia crean una superficie rugosa y espumosa con muchos poros en las capas del nanogenerador: perfecto para una fricción óptima entre las capas, al mismo tiempo que se mantiene muy liviano. Esto fue una vez más un hallazgo casual: Chen dejó caer parte de su material de planta disuelto sobre papel de aluminio y no logró limpiarlo. El agua se evaporó, dejando una película delgada con la superficie rugosa de pequeños copos de nieve.

Los investigadores han estado intentando producir materiales parecidos a la espuma basados en la celulosa de las plantas durante años. 'Por lo general, se requieren muchos recursos para extraer la celulosa, descomponiendo la estructura tal como era antes', explica la profesora de química aplicada y coautora Katja Loos. 'Luego, se requieren muchos recursos para producir la estructura deseada para nuevos materiales'.

Chen pudo conservar los bloques de construcción, los pequeños 'copos de nieve', del interior de la juncia, pelando el tallo y disolviéndolo en una mezcla simple. 'Por lo tanto, realmente podemos llamarlo sostenible', dice Chen. Poco consumo de energía y sin uso de materiales fósiles a base de petróleo se utilizaron en este proceso. Chen está trabajando actualmente en otras aplicaciones. Quiere utilizar los copos de nieve de la juncia como parte de una batería y para limpiar contaminantes en el agua.

Desafortunadamente, Chen descubrió que el municipio local ha eliminado recientemente una gran cantidad del crecimiento de juncia. Ella encoge los hombros. 'Ahora solo tengo que ir un poco más lejos en bicicleta para conseguirla'. Sonríe, 'En nuestro laboratorio, no es una mala hierba; es un recurso valioso'.

The work is published in the journals Advanced Functional Materials and Cellulose.

Qi Chen et al, Aerenchyma tissue of Juncus effusus L.: a novel resource for sustainable natural cellulose foams, Cellulose (2023). DOI: 10.1007/s10570-023-05453-9

Journal information: Advanced Functional Materials

Provided by University of Groningen