La historia de la investigación de Qi Chen está llena de casualidades. En el primer año de su doctorado, estuvo con amigos en el campus de la Universidad de Zernike, discutiendo los temas de su investigación.
por la Universidad de Groninga
Chen les dijo que iba a estudiar materiales parecidos a la espuma. Un amigo estaba pelando casualmente el tallo de una planta parecida a la hierba, revelando así su interior que parecía tener una estructura abierta y aireada. Sugirió en broma que quizás Chen quisiera estudiarlo. Lo puso en su mochila y luego se olvidó por completo.
Casi dos años después, Chen volvió a encontrar la planta en su mochila. Había estado intentando inducir electricidad a partir de bacterias, utilizando materiales espumosos como entorno para que vivieran. Los resultados no fueron prometedores, por lo que decidió observar más de cerca esta planta parecida a la hierba: una maleza común de los humedales llamada blanda. junco (Juncus effusus L.).
Pequeños copos de nieve
«La estructura del tallo blando del junco consta de capas de estrellas interconectadas, un poco como pequeños copos de nieve», explica Chen. Estas capas se apilan una encima de la otra, creando una estructura que permite que fluya mucho aire. Chen dice: «Mis muestras eran ultraligeras. Una vez, las dejé descubiertas y cuando abrí la puerta del laboratorio, las muestras volaron. Parecía como si hubiera nevado en el pasillo».
El interior de muchas plantas acuáticas o de humedales está formado por una estructura abierta, llamada aerénquima. «La planta necesita esta estructura abierta para respirar», dice Chen, «porque con sus raíces en un ambiente húmedo, necesitan tomar oxígeno del aire y transportarlo a través del tallo». Resulta que este material también es un gran recurso alternativo a las espumas naturales de origen vegetal.
Un pequeño dispositivo para poner en tu zapato
La forma única de los pequeños copos de nieve en el suave tallo del junco también fue perfecta para construir un nanogenerador: un pequeño dispositivo que produce una carga eléctrica , que puede usarse como sensor o como fuente de energía. Un nanogenerador de este tipo puede ayudar a hacer más sostenible la tendencia actual de dispositivos portátiles cada vez más pequeños, reemplazando las baterías que, en última instancia, terminan en los desechos electrónicos.
Junto con sus colegas Wenjian Li y Feng Yan, Chen construyó un nanogenerador del tamaño de un sello postal, aproximadamente un milímetro de espesor. Funciona como un sensor de movimiento, explica la coautora Dina Maniar: «Puedes ponerlo en tu zapato y cuando caminas, saltas o corres, emite una señal distinta que podemos reconocer».
Este pequeño dispositivo se basa en el mismo fenómeno que produce una descarga eléctrica cuando tocas el pomo de una puerta después de caminar sobre una alfombra: el llamado efecto triboeléctrico. Consta de dos pequeñas capas con superficies rugosas . Las dos capas se mantienen separadas mediante un separador, pero cuando se presionan se produce fricción entre las capas, lo que crea una carga eléctrica, similar a la carga eléctrica que se acumula cuando arrastras los pies sobre una alfombra. Maniar dice: «Esto nos permite convertir el movimiento en señales eléctricas».
Los diminutos copos de nieve de la planta del junco blando crean una superficie rugosa y espumosa con muchos poros en las capas del nanogenerador: perfecta para una fricción óptima entre las capas , manteniendo al mismo tiempo un peso muy ligero. Una vez más, este fue un hallazgo fortuito: Chen dejó caer parte de su material vegetal disuelto en papel de aluminio y no pudo limpiarlo. El agua se evaporó, dejando una fina película con la superficie rugosa de pequeños copos de nieve.
Realmente podemos llamarlo sostenible.
Los investigadores llevan años intentando producir materiales similares a la espuma a partir de celulosa procedente de plantas. «Por lo general, se destinan muchos recursos a la extracción de celulosa, rompiendo la estructura tal como estaba», explica la profesora de Química Aplicada y coautora Katja Loos. «Luego se destinan muchos recursos a producir la estructura deseada para los nuevos materiales».
Chen pudo conservar los componentes básicos (los pequeños «copos de nieve») del suave interior del junco, pelando el tallo y disolviéndolo en una mezcla simple. «Así que realmente podemos llamarlo sostenible», afirma Chen. En este proceso se utilizó poca energía y ningún material fósil derivado del petróleo. Chen está trabajando actualmente en otras aplicaciones. Quiere utilizar los suaves copos de nieve como parte de una batería y para limpiar los contaminantes del agua.
Desafortunadamente, la municipalidad local ha eliminado recientemente gran parte del crecimiento suave, descubrió Chen. Ella se encoge de hombros. «Ahora sólo tengo que pedalear un poco más para conseguirlo». Ella sonríe: «En nuestro laboratorio, no es una mala hierba; es un recurso valioso».
El trabajo está publicado en las revistas Advanced Functional Materials y Cellulose .
Más información: Qi Chen et al, Nanogeneradores triboeléctricos livianos basados en películas de celulosa estrellada hueca derivadas de Juncus effusus L. Aerenchyma, Materiales funcionales avanzados (2023). DOI: 10.1002/adfm.202304801
Qi Chen et al, Tejido Aerenchyma de Juncus effusus L.: un recurso novedoso para espumas de celulosa naturales sostenibles, Cellulose (2023). DOI: 10.1007/s10570-023-05453-9
