Un capteur auto-alimenté fabriqué à partir de plantes

12 septembre 2023

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par l'Université de Groningue

L'histoire de la recherche de Qi Chen est pleine de hasard. Durant sa première année de doctorat, elle se baladait avec des amis sur le campus Zernike de l'université où ils discutaient des sujets de leurs recherches. Chen leur a dit qu'elle allait étudier des matériaux semblables à de la mousse. Un ami a commencé à peler la tige d'une plante ressemblant à de l'herbe, révélant ainsi sa structure ouverte et aérée. Il a plaisanté en suggérant à Chen de l'étudier. Elle l'a mis dans son sac à dos et l'a ensuite complètement oublié.

Presque deux ans plus tard, Chen a retrouvé la plante dans son sac à dos. Elle essayait d'obtenir de l'électricité à partir de bactéries, en utilisant des matériaux moussants comme environnement pour leur survie. Les résultats n'étaient pas prometteurs, alors elle a décidé d'examiner de plus près cette plante ressemblant à de l'herbe : une mauvaise herbe commune des zones humides appelée "soft rush" (Juncus effusus L.).

"La structure de la tige de "soft rush" est constituée de couches d'étoiles connectées, un peu comme de minuscules flocons de neige", explique Chen. Ces couches sont empilées les unes sur les autres, créant une structure qui permet à beaucoup d'air de circuler à travers. Chen dit : "Mes échantillons étaient très légers. Une fois, j'ai laissé les échantillons à découvert et en ouvrant la porte du laboratoire, les échantillons ont été emportés. On aurait dit qu'il avait neigé dans le couloir."

L'intérieur de nombreuses plantes aquatiques ou des zones humides présente une telle structure ouverte, appelée aérènchyme. "La plante a besoin de cette structure ouverte pour respirer", explique Chen, "car avec leurs racines dans un environnement humide, elles ont besoin de prendre de l'oxygène de l'air et de le transporter à travers la tige." Il s'avère que ce matériau est également une excellente ressource alternative pour les mousses naturelles à base de plantes.

La forme unique des petits flocons de neige dans la tige de "soft rush" était également parfaite pour construire un nanogénérateur : un petit appareil qui produit une charge électrique, pouvant être utilisé comme capteur ou comme source d'énergie. Un tel nanogénérateur peut contribuer à rendre la tendance actuelle des dispositifs portables de plus en plus petits plus durables, en remplaçant les piles qui finissent éventuellement dans les déchets électroniques.

En collaboration avec ses collègues Wenjian Li et Feng Yan, Chen a construit un nanogénérateur de la taille d'un timbre-poste, d'environ un millimètre d'épaisseur. Il fonctionne comme un capteur de mouvement, explique la co-auteure Dina Maniar, "Vous pouvez le mettre dans votre chaussure et lorsque vous marchez, sautez ou courez, il émet un signal distinct que nous pouvons reconnaître."

Ce petit appareil repose sur le même phénomène qui vous provoque une décharge électrique lorsque vous touchez une poignée de porte après avoir marché sur un tapis : l'effet triboélectrique. Il se compose de deux petites couches à surfaces rugueuses. Les deux couches sont maintenues séparées par un séparateur, mais lorsqu'elles sont pressées, il y a friction entre les couches, ce qui crée une charge électrique, tout comme la charge électrique qui s'accumule lorsque vous traînez vos pieds sur un tapis. Maniar dit : "Cela nous permet de convertir le mouvement en signaux électriques."

Les petits flocons de neige de la plante "soft rush" créent une surface rugueuse et moussante avec de nombreux pores sur les couches du nanogénérateur : parfaits pour une friction optimale entre les couches, tout en le rendant très léger. C'était à nouveau une découverte fortuite : Chen a laissé tomber une partie de la matière végétale dissoute sur une feuille d'aluminium et n'a pas réussi à la nettoyer. L'eau s'est évaporée, laissant un film mince avec la surface rugueuse de petits flocons de neige.

Les chercheurs tentent depuis des années de produire des matériaux semblables à de la mousse à base de cellulose provenant de plantes. "En général, beaucoup de ressources sont utilisées pour extraire la cellulose, en décomposant sa structure telle qu'elle était", explique le professeur de chimie appliquée et co-auteur Katja Loos. "Ensuite, beaucoup de ressources sont utilisées pour produire la structure souhaitée pour de nouveaux matériaux."

Chen a réussi à conserver les éléments constitutifs - les petits "flocons de neige" - de l'intérieur de la plante "soft rush" en épluchant la tige et en la dissolvant dans un mélange simple. "Donc, nous pouvons vraiment dire que c'est durable", dit Chen. Peu d'énergie et aucun matériau à base de pétrole fossile n'ont été utilisés dans ce processus. Chen travaille actuellement sur d'autres applications. Elle souhaite utiliser les flocons de neige de plante "soft rush" comme élément d'une batterie, et pour purifier les polluants présents dans l'eau.

Malheureusement, la municipalité locale a récemment enlevé beaucoup de la croissance de "soft rush", a découvert Chen. Elle hausse les épaules. "Maintenant, je dois simplement faire un peu de vélo pour l'obtenir." Elle sourit, "Dans notre laboratoire, ce n'est pas une mauvaise herbe ; c'est une ressource précieuse."

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