Ein energieautarker Sensor aus Pflanzen

Die Geschichte von Qi Chens Forschung ist voller Zufall. Im ersten Jahr ihrer Doktorarbeit verbrachte sie Zeit mit Freunden auf dem Zernike-Campus der Universität und diskutierte über die Themen ihrer Forschung. Chen erzählte ihnen, dass sie schaumartige Materialien untersuchen würde. Ein Freund schälte beiläufig den Stängel einer grasähnlichen Pflanze und legte dabei ihr Inneres frei, das eine offene und luftige Struktur zu haben schien. Er schlug scherzhaft vor, dass Chen es vielleicht studieren möchte. Sie steckte es in ihren Rucksack und vergaß es dann ganz.

Fast zwei Jahre später fand Chen die Pflanze in ihrem Rucksack wieder. Sie hatte versucht, Bakterien Elektrizität zu induzieren, indem sie schaumige Materialien als Lebensumgebung für sie nutzte. Die Ergebnisse waren nicht vielversprechend, also beschloss sie, sich diese grasähnliche Pflanze genauer anzusehen: ein weit verbreitetes Feuchtkraut namens Soft Binse (Juncus effusus L.).

Winzige Schneeflocken

„Die Struktur des weichen Binsenstamms besteht aus Schichten miteinander verbundener Sterne, ein bisschen wie winzige Schneeflocken“, erklärt Chen. Diese Schichten werden übereinander gestapelt, sodass eine Struktur entsteht, die viel Luft durchströmen lässt. Chen sagt: „Meine Proben waren ultraleicht. Einmal ließ ich die Proben offen, und als ich die Labortür öffnete, wurden die Proben weggeblasen. Es sah aus, als hätte es im Flur geschneit.“

Das Innere vieler Wasser- oder Feuchtpflanzen besteht aus einer solchen offenen Struktur, dem sogenannten Aerenchym. „Die Pflanze braucht diese offene Struktur zum Atmen“, sagt Chen, „weil sie mit ihren Wurzeln in einer feuchten Umgebung Sauerstoff aus der Luft aufnehmen und durch den Stängel transportieren muss.“ Wie sich herausstellt, ist dieses Material auch eine großartige alternative Ressource für natürliche Schäume auf pflanzlicher Basis.

Ein kleines Gerät, das Sie in Ihren Schuh stecken können

Die einzigartige Form der kleinen Schneeflocken im weichen Binsenstiel eignete sich auch perfekt für den Bau eines Nanogenerators: ein winziges Gerät, das eine elektrische Ladung erzeugt, die als Sensor oder Energiequelle verwendet werden kann. Ein solcher Nanogenerator kann dazu beitragen, den aktuellen Trend zu immer kleineren tragbaren Geräten nachhaltiger zu gestalten und Batterien zu ersetzen, die letztendlich im Elektroschrott landen.

Zusammen mit den Kollegen Wenjian Li und Feng Yan baute Chen einen Nanogenerator in der Größe einer Briefmarke, etwa einen Millimeter dick. Es fungiert als Bewegungssensor, erklärt Co-Autorin Dina Maniar: „Sie können es in Ihren Schuh stecken und wenn Sie gehen, springen oder rennen, sendet es ein deutliches Signal aus, das wir erkennen können.“

Dieses winzige Gerät basiert auf dem gleichen Phänomen, das beim Berühren einer Türklinke nach dem Betreten eines Teppichs einen Schock auslöst: dem sogenannten triboelektrischen Effekt. Es besteht aus zwei kleinen Schichten mit rauer Oberfläche. Die beiden Schichten werden durch einen Separator voneinander getrennt gehalten, aber wenn man sie zusammendrückt, kommt es zu einer Reibung zwischen den Schichten, die eine elektrische Ladung erzeugt – genau wie die elektrische Ladung, die sich aufbaut, wenn man mit den Füßen über einen Teppich schlurft. Maniar sagt: „Dadurch können wir Bewegungen in elektrische Signale umwandeln.“

Die winzigen Schneeflocken der Binsenpflanze erzeugen eine raue, schaumige Oberfläche mit vielen Poren auf den Schichten des Nanogenerators: perfekt für optimale Reibung zwischen den Schichten, während er gleichzeitig sehr leicht bleibt. Dies war wieder einmal ein zufälliger Befund: Chen ließ etwas von ihrem gelösten Pflanzenmaterial auf Aluminiumfolie fallen und schaffte es nicht, es zu beseitigen. Das Wasser verdunstete und hinterließ einen dünnen Film mit der rauen Oberfläche winziger Schneeflocken.

Wir können es wirklich als nachhaltig bezeichnen

Seit Jahren versuchen Forscher, schaumartige Materialien auf Basis von Zellulose aus Pflanzen herzustellen. „Normalerweise werden viele Ressourcen in die Gewinnung von Zellulose gesteckt und die Struktur in ihrem ursprünglichen Zustand abgebaut“, erklärt Katja Loos, Professorin für Angewandte Chemie und Co-Autorin. „Dann fließen viele Ressourcen in die Herstellung der gewünschten Struktur für neue Materialien.“

Chen konnte die Bausteine ​​– die kleinen „Schneeflocken“ – des weichen Binseninneren behalten, indem er den Stiel schälte und ihn in einer einfachen Mischung auflöste. „Wir können es also wirklich als nachhaltig bezeichnen“, sagt Chen. In diesen Prozess flossen wenig Energie und keine erdölbasierten fossilen Materialien ein. Chen arbeitet derzeit an weiteren Anwendungen. Sie möchte die weichen Binsenschneeflocken als Teil einer Batterie und zur Beseitigung von Schadstoffen im Wasser nutzen.

Leider hat die örtliche Gemeinde in letzter Zeit einen Großteil des Binsenbewuchses entfernt, wie Chen herausfand. Sie zuckt mit den Schultern. „Jetzt muss ich nur noch ein bisschen weiterradeln, um es zu schaffen.“ Sie lächelt: „In unserem Labor ist es kein Unkraut; es ist eine wertvolle Ressource.“

Die Arbeit wird in den Fachzeitschriften veröffentlicht Fortschrittliche Funktionsmaterialien Und Zellulose.