左側(cè)為孫建國(guó);右側(cè)為屠坤坤

近日，兩位來自江蘇的九零后科研人員：孫建國(guó)和屠坤坤，把木材玩出了“新花樣”。

當(dāng)走在木地板上時(shí)，木地板可以發(fā)電、并能點(diǎn)亮LED燈泡和小型電子設(shè)備一一這是他們的最新合作成果。

該方法產(chǎn)生的電量，還能讓計(jì)算器顯示屏可以顯示數(shù)字。

相關(guān)論文以《具有可調(diào)摩擦極性的功能化木材用于高效摩擦納米發(fā)電機(jī)》為題發(fā)表在Matter上，屠坤坤和孫建國(guó)擔(dān)任共同一作。

行走在木地板上，成功點(diǎn)亮一盞LED燈

產(chǎn)生的電量讓計(jì)算器可以產(chǎn)生數(shù)字

改性木材，提升發(fā)電效率

孫建國(guó)表示，該成果源于摩擦起電現(xiàn)象，即兩個(gè)材料接觸時(shí)就會(huì)帶電，比如冬天手碰到門把手，可能會(huì)感覺被“電”一樣有麻麻痛痛的感覺，而摩擦發(fā)電是利用這種生活中常見的現(xiàn)象把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成有用的電能。

雖然任意兩個(gè)材料摩擦?xí)r都可以帶電，但是帶電量多少則不一定?？傮w來說，兩種材料的極性差異性越大，帶電量就越大，即最終發(fā)出來的電就越高。

用木材制造納米發(fā)電機(jī)存在一個(gè)問題，木材基本上是摩擦電中性的，這意味著木材只有十分微弱的得失電子能力，這限制了木材在摩擦發(fā)電領(lǐng)域的有效利用，因此該研究的目的在于如何有效提升木材吸引和失去電子的能力。

為了提高木材的摩擦電性能，他們用極少的聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂覆一塊木材，使其在與另一個(gè)材料接觸分離的時(shí)候擁有較強(qiáng)的電子能力。同時(shí)，他們還利用原位生長(zhǎng)的方法在木材表面修飾納米晶體沸石咪唑酯骨架材料-8（ZIF-8）。據(jù)悉，ZIF-8是一種常見的MOF（金屬有機(jī)框架，Metal-organic frameworks），可以增強(qiáng)木材失去電子的能力。

具體來說，如果ZIF-8修飾的木材接觸PDMS改性的木材時(shí)，電子會(huì)從ZIF-8改性木材的表面轉(zhuǎn)移到PDMS改性木材的表面，此時(shí)因兩種木材緊密貼合，整體保持了靜電平衡，所以外部電路沒有電流通過。一旦讓兩塊改性木材分開，這種平衡便被打破，外部電路會(huì)有電流流過，達(dá)到發(fā)電的目的。

由于PDMS是讓木材帶負(fù)電，ZIF-8是讓木材帶正電，相比于兩塊原始木材的摩擦，改性的木材摩擦后發(fā)電性能大大提高。

在本次成果中，兩片木板的接觸是分離的，踩的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一升一降的情況，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能會(huì)不太方便。未來，最好做成單電極模式，只對(duì)一塊木材改性，這樣人正常走在上面，通過鞋子和木材的摩擦就可以發(fā)電，如此才真正實(shí)現(xiàn)了地板的功能。

當(dāng)然單電極有單電極的劣勢(shì)，由于鞋子或腳直接和改性木材接觸，那么木材涂層的污染和本身的生物相容性也是不小的挑戰(zhàn)。

據(jù)了解，孫建國(guó)之前的研究主要是對(duì)木材進(jìn)行改性提升其壓電性能，這是一種與本研究不同的木材發(fā)電原理。作為一種建筑材料，讓木材具備額外的發(fā)電能力顯然是一個(gè)新奇又有趣的想法。帶著這樣的想法，他找上了擅長(zhǎng)MOF合成的屠坤坤。

屠坤坤之前的研究，是使用MOF對(duì)木材進(jìn)行改良，從而拓展木材的應(yīng)用并解決MOF作為粉末材料不易加工成型的問題。MOF是一個(gè)比較“時(shí)髦”的材料，它的性能是可調(diào)節(jié)的，并已被用到各種領(lǐng)域中。

在該研究中，她主要負(fù)責(zé)MOF改性木材的制備和樣品的表征;而孫建國(guó)主要負(fù)責(zé)PDMS改性木材的制備表征以及發(fā)電機(jī)性能的測(cè)試。除了他們之外，論文的其他作者也提供了很多幫助，不同的專業(yè)背景和知識(shí)碰撞在一起才有了這項(xiàng)有趣的研究。

研究中，他們還測(cè)試了具有不同形貌的木材，以研究樹種或木材的切割方向?qū)ζ淠Σ岭娞匦缘挠绊?。除了引入容易得失電子的官能團(tuán)，調(diào)節(jié)材料的粗糙度來提升有效接觸面積是提高摩擦發(fā)電性能的有效手段。在這項(xiàng)研究中他們通過利用木材表面的紋理和改性來調(diào)節(jié)想要的粗糙度，最終有效提高了性能。

在測(cè)試的輕木、云杉和紅豆杉木中，徑向切割的云杉效果最好。當(dāng)用50N的力按壓兩個(gè)云杉木材樣品，其中一個(gè)用ZIF-8改性，另一個(gè)用PDMS改性，在相對(duì)較小的力下可以產(chǎn)生最大24.3V的開路電壓和0.32mA的短路電流，并具備長(zhǎng)達(dá)1 500次的循環(huán)。

該研究也證明了，通過ZIF-8和PDMS的功能化，可有效增強(qiáng)原始木材的摩擦電性能，使智能家居中自供電木地板有了初步的希望。

“走路發(fā)電”：成功點(diǎn)亮一個(gè)燈泡

他們發(fā)現(xiàn)，表面積略小于一張紙的木地板模型，可以產(chǎn)生足夠的能量，來驅(qū)動(dòng)家用LED燈和計(jì)算器等小型電子設(shè)備。當(dāng)一個(gè)成年人走過時(shí)，他們成功地用模型點(diǎn)亮了一個(gè)燈泡，將走路產(chǎn)生的機(jī)械能變成了電。

概括來說，該研究的重點(diǎn)是使用相對(duì)環(huán)保的方法，對(duì)木材進(jìn)行改性以增強(qiáng)其摩擦發(fā)電的能力，其中由于云杉性價(jià)比高，更適合在工業(yè)級(jí)別上進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。

同時(shí)，此次新研發(fā)的納米發(fā)電機(jī)，還保留了木材可用于室內(nèi)設(shè)計(jì)的特性，包括其機(jī)械強(qiáng)度和天然的紋理色澤，非常適合應(yīng)用于智能家居中。

盡管在研究中使用的PDMS和MOFs等原料都不是特別便宜的材料，但是它的涂層很薄，只有幾個(gè)微米。而發(fā)電機(jī)的主要材料是木材，它本身是一種可再生的材料，相對(duì)而言成本并沒有特別高。

談及潛在的應(yīng)用，孫建國(guó)表示這種會(huì)發(fā)電的木地板，也會(huì)面臨木材遇到的一系列問題，比如腐朽變形等各方面的問題。屠坤坤也認(rèn)為，本次研究主要是概念性的成果，雖然離實(shí)際運(yùn)用還有一些距離，但她希望這篇論文能引起大家的關(guān)注并廣泛的參與到這項(xiàng)研究當(dāng)中。

下一步他們打算使用更環(huán)保且更易于實(shí)施的方法進(jìn)一步研究。最終目標(biāo)是了解木材的潛力，超越已知的潛力并使木材具有新的特性，用于未來的可持續(xù)智能建筑。

博后研究結(jié)束后，都打算回國(guó)發(fā)展

詹坤坤

據(jù)介紹，屠坤坤在南京林業(yè)大學(xué)讀的本科，碩士畢業(yè)于中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，碩士畢業(yè)后通過國(guó)家留學(xué)基金委資助來到蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院讀博。她說自己多年來一直對(duì)木材很感興趣，也一直學(xué)習(xí)的是木材相關(guān)專業(yè)，她認(rèn)為未來木基功能化材料將滲透到生活各個(gè)方面。

孫建國(guó)則本科就讀于鄭州大學(xué)材料系，主修材料成型與控制。碩士來到臺(tái)灣清華大學(xué)繼續(xù)就讀材料系，主修納米材料方向，后申請(qǐng)到全額獎(jiǎng)學(xué)金，也來到蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院讀博。

最近幾個(gè)月，他們倆即將博士畢業(yè)，畢業(yè)后他們打算繼續(xù)在目前課題組做博士后，隨后均打算回國(guó)發(fā)展。（綜合整理報(bào)道）（編輯/萊西）