L’électricité du parquet

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Même une faible pression peut générer une tension électrique dans l’éponge

Même une faible pression peut générer une tension électrique dans l’éponge de bois. Image: ACS Nano / Empa

Les chercheurs de l’Empa et de l’EPF de Zurich ont rendu le bois compressible, le transformant ainsi en microgénérateur. Lorsqu’une charge es appliquée sur le parquet, une tension électrique est générée. Ainsi, le bois peut servir de biocapteur - ou générer de l’énergie. Le dernier point fort : pour que le processus fonctionne sans produits chimiques agressifs, des champignons dégradant le bois d’origine naturelle prennent en charge le traitement du bois nécessaire.

Le groupe de recherche d’Ingo Burgert à l’Empa et à l’ETH Zurich a souvent démontré que le bois peut être utilisé comme bien plus qu’un simple matériau de construction. Ses travaux de recherche consistent souvent à améliorer les propriétés existantes du bois de manière à ce qu’il puisse être utilisé dans des domaines d’application totalement nouveaux. Par exemple, il a déjà créé un bois très résistant, hydrofuge et magnétisable. En collaboration avec le groupe de recherche de l’Empa dirigé par Francis Schwarze et Javier Ribera, l’équipe a mis au point un procédé simple et écologique pour produire de l’électricité à partir d’une sorte d’éponge en bois, comme ils l’ont rapporté la semaine dernière dans la célèbre revue "Science Advances" .

Si vous voulez produire de l’électricité à partir du bois, l’effet dit piézoélectrique entre en jeu. La piézoélectricité signifie qu’une tension électrique est générée par la déformation élastique des solides. La technologie de mesure, en particulier, exploite ce phénomène en utilisant des capteurs qui génèrent un signal de charge lorsqu’ils sont soumis à une contrainte mécanique, par exemple. Cependant, ces capteurs utilisent souvent des matériaux qui ne conviennent pas à l’utilisation dans le domaine biomédical, comme le zirconate-titanate de plomb (PZT), qui ne peut pas être utilisé sur la peau à cause du plomb. Pouvoir utiliser l’effet piézoélectrique naturel du bois offre donc certains avantages. Si nous réfléchissons davantage, l’effet pourrait également être utilisé pour la production d’énergie durable. Mais d’abord, il faut donner au bois les propriétés adéquates. En effet, le bois n’est pas assez flexible sans traitement spécial ; lorsqu’il est soumis à une contrainte mécanique, seule une très faible tension électrique est donc générée dans le processus de déformation.

Jianguo Sun, doctorant dans l’équipe d’Ingo Burgert, a utilisé un processus qui constitue la base de divers développements ultérieurs du bois : la délignification. Les parois cellulaires du bois sont constituées de trois substances de base : Lignine, hémicelluloses et cellulose. "La lignine est principalement nécessaire à un arbre pour pousser verticalement. Sans la lignine comme substance stabilisante qui relie les cellules et empêche les fibrilles de cellulose de se déformer, cela ne serait pas possible", explique Ingo Burgert.

Afin de transformer le bois en un matériau facilement déformable, la lignine doit être au moins partiellement "dissoute". Pour ce faire, on place le bois dans un mélange de peroxyde d’hydrogène et d’acide acétique. Dans le bain d’acide, la lignine est dissoute, laissant une structure de couches de cellulose. Dans ce processus, l’équipe d’ Ingo Burgert s’est attachée à travailler avec des procédés relativement simples et respectueux de l’environnement : "Nous utilisons la structure hiérarchique du bois sans devoir d’abord le dissoudre, puis reconnecter les fibres, comme dans la production de papier ". L’éponge de bois blanc qui en résulte est constituée de fines couches de cellulose, l’une sur l’autre, qui peuvent être facilement pressées ensemble et se dilater ensuite pour reprendre leur forme initiale - le bois devient alors, pour ainsi dire, élastiquement déformable.

Le groupe de recherche a soumis le cube d’essai, qui a une longueur de côté d’environ 1,5 cm, à environ 600 cycles de charge. Le matériau a fait preuve d’une stabilité étonnante. Pour chaque charge, les chercheurs ont mesuré une tension d’environ 0,63 V - une tension qui serait utile pour une application en tant que capteur. Dans le cadre d’autres expériences, l’équipe a tenté d’explorer l’éventuelle extensibilité de ce nanogénérateur. Par exemple, ils ont pu montrer que 30 blocs de bois de ce type, lorsqu’ils sont chargés parallèlement au poids d’un adulte, peuvent déjà éclairer un simple écran LCD. Il serait donc concevable d’avoir un parquet qui convertit l’énergie des pas en électricité. Les chercheurs ont testé l’aptitude à servir de capteur sensible à la pression sur la peau humaine et ont ainsi prouvé qu’une application dans le domaine médical serait également possible.

Le travail sur la dernière publication de l’équipe de l’Empa et de l’EPF Zurich va plus loin : l’objectif était de modifier le processus de manière à ce qu’il ne nécessite pas de produits chimiques agressifs. Les chercheurs ont trouvé un candidat approprié qui pourrait réaliser la délignification sous la forme d’un processus biologique dans la nature : le champignon Ganoderma applanatum provoque la pourriture blanche du bois. "Le champignon décompose la lignine et l’hémicellulose du bois de manière particulièrement douce", explique Javier Ribera, chercheur à l’Empa, pour expliquer ce processus respectueux de l’environnement. En outre, le processus peut être facilement contrôlé en laboratoire.

Il reste encore quelques étapes à franchir avant que le bois "piézo" puisse être utilisé comme capteur ou comme parquet générateur d’électricité. Mais les avantages d’un système piézoélectrique aussi simple et en même temps renouvelable et biodégradable sont évidents - et sont actuellement étudiés par Ingo Burgert et ses collègues dans le cadre de projets de recherche supplémentaires. Et afin d’adapter la technologie à une application industrielle, les chercheurs sont déjà en pourparlers avec des partenaires de coopération potentiels.


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