17.03.2021 - Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

Tensión del parqué

La madera piezoeléctrica puede generar electricidad mediante su deformación

Investigadores del Empa y la ETH de Zúrich han conseguido que la madera sea comprimible y la han convertido en un microgenerador. Cuando se carga, se genera una tensión eléctrica. De este modo, la madera puede servir de biosensor o generar energía utilizable. Lo más novedoso: Para que el proceso no requiera productos químicos agresivos, los hongos que degradan la madera de forma natural se encargan de modificarla.

Ingo Burgert y su equipo de Empa y ETH Zurich lo han demostrado una y otra vez: La madera es mucho más que un "simple" material de construcción. Su investigación tiene como objetivo ampliar las características existentes de la madera de tal manera que sea adecuada para gamas de aplicación completamente nuevas. Por ejemplo, ya han desarrollado una madera de alta resistencia, repelente al agua y magnetizable. Ahora, junto con el grupo de investigación de Empa de Francis Schwarze y Javier Ribera, el equipo ha desarrollado un proceso sencillo y respetuoso con el medio ambiente para generar electricidad a partir de un tipo de esponja de madera, según informan en la revista Science Advances.

Tensión a través de la deformación

Si se quiere generar electricidad a partir de la madera, entra en juego el llamado efecto piezoeléctrico. La piezoelectricidad significa que se crea una tensión eléctrica por la deformación elástica de los sólidos. Este fenómeno es aprovechado principalmente por la metrología, que utiliza sensores que generan una señal de carga, por ejemplo, cuando se aplica una carga mecánica. Sin embargo, estos sensores suelen utilizar materiales inadecuados para su uso en aplicaciones biomédicas, como el titanato de circonato de plomo (PZT), que no puede utilizarse en la piel humana debido al plomo que contiene. Además, la eliminación ecológica del PZT y el Co es bastante complicada. Por tanto, utilizar el efecto piezoeléctrico natural de la madera ofrece una serie de ventajas. Si se piensa más en ello, el efecto podría utilizarse también para la producción de energía sostenible. Pero, en primer lugar, hay que dotar a la madera de las propiedades adecuadas. Sin un tratamiento especial, la madera no es lo suficientemente flexible; cuando se somete a una tensión mecánica, sólo se genera una tensión eléctrica muy baja en el proceso de deformación.

De bloque a esponja

Jianguo Sun, estudiante de doctorado del equipo de Burgert, utilizó un proceso químico que es la base de varios "refinamientos" de la madera que el equipo ha realizado en los últimos años: la deslignificación. Las paredes celulares de la madera se componen de tres materiales básicos: lignina, hemicelulosas y celulosa. "La lignina es lo que un árbol necesita principalmente para crecer a grandes alturas. Esto no sería posible sin la lignina como sustancia estabilizadora que conecta las células y evita que las rígidas fibrillas de celulosa se doblen", explica Burgert. Para transformar la madera en un material fácilmente deformable, hay que "extraer" la lignina al menos parcialmente. Esto se consigue colocando la madera en una mezcla de peróxido de hidrógeno y ácido acético. La lignina se disuelve en este baño de ácido, dejando un entramado de capas de celulosa. "Aprovechamos la estructura jerárquica de la madera sin tener que disolverla primero, como ocurre en la producción de papel, por ejemplo, y luego tener que volver a conectar las fibras", dice Burgert. La esponja de madera blanca resultante está formada por finas capas superpuestas de celulosa que pueden apretarse fácilmente y volver a expandirse en su forma original: la madera se ha vuelto elástica.

Electricidad de los suelos de madera

El equipo de Burgert sometió el cubo de prueba, con una longitud lateral de unos 1,5 cm, a unos 600 ciclos de carga. El material mostró una estabilidad sorprendente. En cada compresión, los investigadores midieron una tensión de unos 0,63 V, suficiente para una aplicación como sensor. En otros experimentos, el equipo trató de ampliar sus nanogeneradores de madera. Por ejemplo, pudieron demostrar que 30 de estos bloques de madera, cargados en paralelo con el peso corporal de un adulto, pueden iluminar una simple pantalla LCD. Por tanto, sería concebible desarrollar un suelo de madera capaz de convertir en electricidad la energía de las personas que caminan sobre él. Los investigadores también probaron su idoneidad como sensor de presión en la piel humana y demostraron que podría utilizarse en aplicaciones biomédicas.

Aplicación en preparación

El trabajo descrito en la última publicación del equipo de Empa-ETH, sin embargo, va un paso más allá: El objetivo era modificar el proceso de tal manera que ya no requiriera el uso de productos químicos agresivos. Los investigadores encontraron un candidato adecuado que podría llevar a cabo la deslignificación en forma de proceso biológico en la naturaleza: el hongo Ganoderma applanatum, causante de la podredumbre blanca de la madera. "El hongo descompone la lignina y la hemicelulosa de la madera con especial delicadeza", dice el investigador de Empa Javier Ribera, al explicar el proceso ecológico. Además, el proceso puede controlarse fácilmente en el laboratorio.

Todavía quedan algunos pasos por dar antes de que la madera "piezoeléctrica" pueda utilizarse como sensor o como suelo de madera generador de electricidad. Pero las ventajas de un sistema piezoeléctrico tan sencillo y al mismo tiempo renovable y biodegradable son evidentes, y Burgert y sus colegas las están investigando ahora en un proyecto posterior. Y con el fin de adaptar la tecnología a las aplicaciones industriales, los investigadores ya están en conversaciones con posibles socios de cooperación.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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