Материалы будущего: графен и лигнин

Использование древесины в строительстве возродилось из-за растущей обеспокоенности по поводу воздействия бетона на окружающую среду. Однако древесина впитывает влагу из окружающей среды, что приводит к гниению, плесени и другим повреждениям. Только в Швеции стоимость ремонта повреждений зданий, вызванных водой, превышает 500 000 000 евро в год. Чтобы решить эту проблему, исследователи из Шведского флагманского исследовательского института графена (RISE) разработали графеновый датчик, встроенный в древесину, который может обнаруживать как влажность окружающей среды, так и влагу внутри древесины.

RISE координирует деятельность Центра цифровой целлюлозы (DCC), целью которого является сделать лесные материалы и продукты частью цифрового мира посредством устойчивой электроники и экономики замкнутого цикла. «Графеновый датчик влажности и влажности действительно продемонстрировал устойчивый подход к электронике и вызвал большой интерес как со стороны академических, так и промышленных партнеров DCC», — говорит директор Центра DCC Урсула Хасс, работающая в RISE.

В этом методе «лигографии» команда создала узоры на датчиках, используя печатные чернила, состоящие из лигнина — сложного органического полимера, содержащегося в клеточных стенках многих растений и являющегося побочным продуктом бумажной и целлюлозной промышленности, — и целлюлозы, которые превращались в графит или графен при облучении лазерным лучом.

После процесса графитизации эти датчики смогли измерить уровень влажности в диапазоне от 10% до 90% при 25°C в различных породах древесины. Датчики, изготовленные на древесине ели и сосны, показали высокую чувствительность: значения 2,6 и 0,74 МОм на каждый 1% увеличения влажности соответственно. Наконец, исследователи показали, что изменения влажности, собранные этими датчиками, можно удаленно считывать через подключенный компьютер или визуализировать с помощью простой светодиодной системы.

Датчик влажности изготовлен из имеющейся в продаже древесины ели. а) Древесину сначала покрыли чернилами на водной основе, содержащими полимеры лигнина и целлюлозы, в форме ели. Впоследствии с помощью CO2-лазера были изготовлены два угольных электрода из чернильного покрытия, при этом часть чернил между электродами оставалась нетронутой, чтобы работать в качестве адсорбционного слоя для определения влажности. б) Два датчика, изготовленные на деревянной поверхности, один из которых герметично закрыт с лицевой стороны, а другой остается открытым для окружающей среды. (Фото: RISE)

Исследователи RISE также продемонстрировали графитизированные лигнином электронные компоненты, такие как резисторы и трибоэлектрические устройства сбора энергии, в которых используются аналогичные процессы «лигнографии».

«Исследования нашей группы открывают путь к разработке датчиков на основе биографена, сборщиков энергии, а также электронных устройств и схем на основе экологически чистых и пригодных для вторичной переработки материалов, таких как дерево и бумага. Используя эти материалы, которые можно выбросить в бумагу Мы надеемся устранить необходимость в электронных мусорных баках», — объясняет Мохаммад Юсуф Мулла из RISE.

Помимо датчиков влажности на древесине, исследователи RISE в сотрудничестве с Lignin Industries AB и Bloom Renewables SA также работают над новыми типами материалов на основе лигнина, которые могут обнаруживать давление и механические воздействия. Например, эти «умные материалы» можно использовать для управления переключателями включения/выключения и регуляторами громкости путем сгибания или постукивания вместо нажатия кнопок.

Команда готовит «умные» материалы на основе лигнина путем химической модификации лигнина в термореактивные или термопластичные составы. В эти композиты добавляют функциональные добавки, такие как BaTiO3 и восстановленный оксид графена. Когда к кристаллу BaTiO3 прикладывается внешняя сила, кристаллическая структура искажается, в результате чего его положительные и отрицательные заряды разделяются, что приводит к генерации электрического поля. В то же время графен — отличный проводник электричества — повышает проводимость композитов на основе лигнина, обеспечивая эффективную передачу электрических зарядов. По сравнению с коммерческими пьезоэлектрическими материалами на основе свинца, материалы на основе лигнина являются более безопасной и экологически безопасной добавкой для датчиков прикосновения и давления.