Investigadores de ETH Zurich y Empa han modificado químicamente la madera y la han hecho más comprimible, convirtiéndola en un mini generador. Cuando se comprime, genera un voltaje eléctrico. Dicha madera podría servir como biosensor o como material de construcción que recolecta energía.
El equipo ha utilizado un proceso químico y otro biológico para generar voltaje eléctrico a partir de un tipo de esponja de madera. Al hacerlo, amplifican lo que se conoce como el «efecto piezoeléctrico» de la madera.
Cuando un material piezoeléctrico se deforma elásticamente, genera un voltaje eléctrico. La tecnología de medición, en particular, aprovecha este fenómeno mediante el uso de sensores que generan una señal de carga cuando están sometidos a tensión mecánica. Sin embargo, muchos de los materiales que se utilizan a menudo para estos sensores no son adecuados para aplicaciones biomédicas. El titanato de circonato de plomo (PZT), por ejemplo, no se puede usar en la piel debido a su plomo tóxico y debe desecharse especialmente.
La madera también tiene un efecto piezoeléctrico natural, pero solo genera un voltaje eléctrico muy bajo. Si se quiere aumentar el voltaje, se debe cambiar la composición química de la madera, y esto también la hace más compresible.
De bloque a esponja
Para convertir la madera en un material fácilmente conformable, se debe disolver un componente de las paredes de la celda. Las paredes de las células de la madera constan de tres sustancias básicas: lignina, hemicelulosa y celulosa. “La lignina es la sustancia estabilizadora que los árboles necesitan para crecer. Sin lignina, que conecta las células y evita que las rígidas fibrillas de celulosa se doblen, esto no sería posible ”, afirma Ingo Burgert, investigador principal de ETH Zúrich.
Hace unos meses, Jianguo Sun, un estudiante de doctorado del equipo de Burgert, junto con colegas de ETH y Empa, mostraron en un estudio publicado en ACS Nano cómo la madera se puede deformar si la lignina se elimina químicamente. Como resultado, se mejora su efecto piezoeléctrico.
Los investigadores lograron esta «deslignificación» colocando madera en una mezcla de peróxido de hidrógeno y ácido acético. El ácido disuelve la lignina, dejando un marco de capas de celulosa. “El proceso conserva la estructura jerárquica de la madera y evita el desmontaje de las fibras individuales”, explica Burgert.
De esta manera, un trozo de madera de balsa se convierte en una esponja de madera blanca, formada por capa sobre capa de celulosa fina. La esponja puede simplemente comprimirse y luego vuelve a su forma original. “La esponja de madera genera un voltaje eléctrico 85 veces mayor que el de la madera nativa (sin tratar)”, dice Sun.
El equipo sometió un cubo de prueba con una longitud lateral de aproximadamente 1,5 cm a alrededor de 600 ciclos de carga. La esponja de madera demostró ser sorprendentemente estable: para cada carga, los investigadores midieron un voltaje de aproximadamente 0,63 voltios, lo que sería apropiado para un sensor. En experimentos adicionales, el equipo probó la escalabilidad de este mini generador. Si se conectan 30 bloques de madera de este tipo y se cargan uniformemente con el peso corporal de un adulto, se genera suficiente electricidad para alimentar una simple pantalla LCD.
Tratamiento con hongos en lugar de químicos
En un estudio de seguimiento recién publicado en Science Advances, el equipo de investigación de ETH-Empa fue un paso más allá, buscando producir la esponja de madera sin utilizar productos químicos. Los investigadores encontraron la solución en la naturaleza: el hongo Ganoderma AP-plan-Atum causa la pudrición blanca de la madera, y se degrada la lignina y la hemicelulosa en particular con suavidad. “Aunque el voltaje eléctrico generado fue menor en las pruebas iniciales que con la madera tratada químicamente, el proceso fúngico es más amigable con el medio ambiente”, dice Burgert.
Hay claras ventajas en un sistema piezoeléctrico renovable tan simple. Los investigadores ven varias aplicaciones potenciales para las esponjas de madera, por ejemplo, como materiales de construcción sostenibles que recolectan energía en la fase de uso, o sensores de presión inocuos para la piel con fines médicos.
Sin embargo, todavía quedan varios pasos antes de que la madera piezoeléctrica pueda utilizarse como biosensor, o incluso como suelo de parquet para la recolección de electricidad. Burgert y sus colegas ahora están explorando con varios socios de cooperación cómo adaptar la tecnología para aplicaciones industriales.