左側(cè)為孫建國;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，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，孫建國之前的研究主要是對木材進(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MOF合成的屠坤坤。

屠坤坤之前的研究，是使用MOF對木材進(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岭娞匦缘挠绊憽３艘肴菀椎檬щ娮拥墓倌軋F(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)是使用相對環(huán)保的方法，對木材進(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，相對而言成本并沒有特別高。

談及潛在的應(yīng)用，孫建國表示這種會(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)于中國林業(yè)科學(xué)研究院，碩士畢業(yè)后通過國家留學(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，隨后均打算回國發(fā)展。（綜合整理報(bào)道）（編輯/萊西）