Pesquisadores da ETH Zurich e da Empa modificaram quimicamente a madeira e a tornaram mais compressível, transformando-a em um minigerador. Quando comprimido, ele gera uma voltagem elétrica. Essa madeira pode servir como um biossensor ou como um material de construção que coleta energia.

Ingo Burgert e sua equipe na universidade pública suíça ETH Zurich e no laboratório federal Empa provaram várias vezes: a madeira é muito mais do que apenas um material de construção. Sua pesquisa visa aprimorar as propriedades da madeira para adaptá-la a aplicações inteiramente novas. Por exemplo, eles já desenvolveram madeira de alta resistência, repelente de água e magnetizável.

Agora, junto com o grupo de pesquisa da Empa liderado por Francis Schwarze, a equipe usou um processo químico e um biológico para gerar voltagem elétrica a partir de um tipo de esponja de madeira. Com isso, eles amplificam o que é conhecido como “efeito piezoelétrico” da madeira.

A compressão cria tensão 

Quando um material piezoelétrico é elasticamente deformado, ele gera uma voltagem elétrica. A tecnologia de medição, em particular, explora esse fenômeno usando sensores que geram um sinal de carga quando estressados mecanicamente. No entanto, muitos dos materiais frequentemente usados para esses sensores são inadequados para aplicações biomédicas. O titanato de zirconato de chumbo (PZT), por exemplo, não pode ser usado na pele devido ao seu chumbo tóxico e deve ser descartado de maneira especial.

A madeira também tem um efeito piezoelétrico natural, mas gera apenas uma voltagem elétrica muito baixa. Para aumentar a tensão, é necessário alterar a composição química da madeira - e isso também a torna mais compressível.

Do bloco à esponja

Para converter a madeira em um material facilmente formável, um componente das paredes das células deve ser dissolvido. As paredes das células da madeira consistem em três substâncias básicas: lignina, hemicelulose e celulose. “A lignina é a substância estabilizadora de que as árvores precisam para crescer. Sem a lignina, que conecta as células e evita que as fibrilas rígidas de celulose se deformam, isso não seria possível ”, afirma Burgert.

Há alguns meses, Jianguo Sun, aluno de doutorado da equipe de Burgert, juntamente com colegas da ETH e da Empa, mostrou em estudo publicado na ACS Nano como a madeira pode ser deformável se a lignina for removida quimicamente. Como resultado, seu efeito piezoelétrico é aumentado.

Os pesquisadores conseguiram essa “deslignificação” colocando a madeira em uma mistura de peróxido de hidrogênio e ácido acético. O ácido dissolve a lignina, deixando uma estrutura de camadas de celulose. “O processo mantém a estrutura hierárquica da madeira e evita a desmontagem das fibras individuais”, explica Burgert.

Desse modo, um pedaço de madeira balsa se transforma em uma esponja de madeira branca, feita de camadas e mais camadas de celulose fina. A esponja pode ser simplesmente comprimida e, em seguida, retorna à sua forma original. “A esponja de madeira gera uma tensão elétrica 85 vezes maior do que a da madeira nativa (não tratada)”, diz Sun.

Um mini gerador no chão de madeira

Quando a lignina estabilizadora é removida da madeira balsa, permanecem camadas flexíveis de celulose (centro). A compressão então cria uma voltagem elétrica. (Visualização: ACS Nano / Empa).

A equipe submeteu um cubo de teste com um comprimento lateral de aproximadamente 1,5 cm a cerca de 600 ciclos de carga. A esponja de madeira se mostrou surpreendentemente estável: para cada carga, os pesquisadores mediram uma voltagem de aproximadamente 0,63 volts, o que seria apropriado para um sensor. Em outros experimentos, a equipe testou a escalabilidade deste minigerador. Se 30 desses blocos de madeira forem conectados e carregados uniformemente com o peso do corpo de um adulto, eletricidade suficiente será gerada para alimentar um simples display LCD.

Tratamento com fungos em vez de produtos químicos

Em um estudo de acompanhamento recém-publicado na Science Advances, a equipe de pesquisa da ETH-Empa deu um passo além, buscando produzir a esponja de madeira sem o uso de produtos químicos. Os pesquisadores encontraram a solução na natureza: o fungo Ganoderma applanatum causa podridão branca na madeira e degrada a lignina e a hemicelulose de maneira particularmente suave. “Embora a tensão elétrica gerada tenha sido menor nos testes iniciais do que com madeira tratada quimicamente, o processo de fungos é mais ecológico”, diz Burgert.

Existem vantagens claras em um sistema piezoelétrico simples e renovável. Os pesquisadores vêem várias aplicações potenciais para as esponjas de madeira - por exemplo, como materiais de construção sustentáveis que coletam energia na fase de uso ou sensores de pressão compatíveis com a pele para fins médicos.

No entanto, ainda existem várias etapas a serem percorridas antes que a madeira piezoelétrica possa ser implantada como um biossensor, ou mesmo como um piso de parquet para coleta de eletricidade. Burgert e seus colegas estão agora explorando com vários parceiros de cooperação como adaptar a tecnologia para aplicações industriais.

Postado por Robert Dalheim

Fonte: equipe editorial da ETH Zurich