Un sensore autoalimentato creato a partire dalle piante

12 settembre 2023

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dall'Università di Groningen

La storia della ricerca di Qi Chen è piena di serendipità. Nel primo anno del suo dottorato, stava passando del tempo con gli amici presso il campus Zernike dell'Università, discutendo degli argomenti delle loro ricerche. Chen disse loro che avrebbe studiato materiali simili alla schiuma. Un amico stava casualmente spellando il gambo di una pianta simile a un'erbaccia, rivelando così la sua struttura aperta e ariosa. Scherzando, suggerì a Chen di studiarla. Lei la mise nello zaino e poi la dimenticò completamente.

Circa due anni dopo, Chen ritrovò di nuovo la pianta nello zaino. Aveva cercato di indurre l'elettricità dalle batterie, utilizzando materiali simili alla schiuma come ambiente per loro. I risultati non erano promettenti, quindi decise di dare uno sguardo più da vicino a questa pianta simile a un'erbaccia: un'erba palustre comune chiamata giunco spargente (Juncus effusus L.).

"La struttura del gambo del giunco spargente consiste in strati di stelle interconnesse, un po' come piccoli fiocchi di neve," spiega Chen. Questi strati si sovrappongono l'uno all'altro, creando una struttura che permette il libero passaggio dell'aria. Chen dice: "I miei campioni erano ultraleggeri. Una volta ho lasciato i campioni scoperti e quando ho aperto la porta del laboratorio, i campioni sono stati portati via dal vento. Sembrava che avesse nevicato nel corridoio."

Le parti interne di molte piante acquatiche o palustri hanno una struttura aperta simile, chiamata aerenchima. "La pianta ha bisogno di questa struttura aperta per respirare," dice Chen, "perché con le radici in un ambiente umido, ha bisogno di prendere ossigeno dall'aria e trasportarlo attraverso il fusto." Ecco perché questo materiale si rivela anche una grande risorsa alternativa per le schiume naturali a base di piante.

La forma unica dei piccoli fiocchi di neve nel gambo del giunco spargente era anche perfetta per costruire un nanogeneratore: un piccolo dispositivo che produce una carica elettrica, che può essere utilizzata come sensore o come fonte di energia. Un nanogeneratore del genere può contribuire a rendere più sostenibile la tendenza attuale di dispositivi indossabili sempre più piccoli, sostituendo le batterie che finiscono inevitabilmente nei rifiuti elettronici.

Insieme ai colleghi Wenjian Li e Feng Yan, Chen ha costruito un nanogeneratore grande come un francobollo, spesso circa un millimetro. Funziona come un sensore di movimento, spiega la co-autrice Dina Maniar, "Puoi metterlo nella scarpa e quando cammini, salti o corri, rilascia un segnale distintivo che possiamo riconoscere."

Questo piccolo dispositivo si basa sullo stesso fenomeno che ti dà una scossa quando tocchi una maniglia dopo aver camminato su un tappeto: l'effetto triboelettrico. Consiste in due piccoli strati con superfici ruvide. I due strati sono mantenuti separati da un separatore, ma quando vengono premuti si crea attrito tra i due strati, che genera una carica elettrica, proprio come la carica elettrica che si accumula quando trascini i piedi su un tappeto. Maniar dice: "Questo ci permette di convertire il movimento in segnali elettrici."

I piccoli fiocchi di neve della pianta del giunco spargente creano una superficie ruvida e spugnosa con molti pori sugli strati del nanogeneratore: perfetta per ottimizzare l'attrito tra gli strati, mantenendolo molto leggero. Anche questa è stata una scoperta casuale: Chen ha lasciato cadere del materiale vegetale disciolto su un foglio di alluminio e ha dimenticato di pulirlo. L'acqua è evaporata, lasciando un sottile film con la superficie ruvida di piccoli fiocchi di neve.

I ricercatori da anni cercano di produrre materiali simili alla schiuma sulla base della cellulosa delle piante. "Di solito, molte risorse vengono impiegate per estrarre la cellulosa, distruggendo la struttura originale," spiega la professoressa di chimica applicata e co-autrice Katja Loos. "Successivamente, vengono impiegate molte risorse per produrre la struttura desiderata per nuovi materiali."

Chen è stata in grado di conservare i mattoncini di costruzione, i piccoli "fiocchi di neve," delle parti interne del giunco spargente, spellando il gambo e dissolvendolo in una semplice miscela. "Possiamo davvero chiamarlo sostenibile," dice Chen. Poca energia e nessun materiale fossile a base di petrolio sono stati utilizzati in questo processo. Chen sta attualmente lavorando su altre applicazioni. Vuole utilizzare i fiocchi di neve del giunco spargente come parte di una batteria e per purificare gli inquinanti presenti nell'acqua.

Purtroppo, Chen ha scoperto che il comune locale ha recentemente rimosso molta della crescita del giunco spargente. Si rassegna. "Ora devo solo pedalare un po' più lontano per trovarlo." Sorride, "Nel nostro laboratorio, non è considerato un'erbaccia; è una risorsa preziosa."

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