Câu chuyện nghiên cứu của Qi Chen đầy tình cờ. Trong năm đầu tiên lấy bằng tiến sĩ, cô đi chơi với bạn bè tại khuôn viên Zernike của trường đại học, thảo luận về các chủ đề nghiên cứu của họ. Chen nói với họ rằng cô ấy sẽ nghiên cứu các vật liệu giống như bọt. Một người bạn tình cờ bóc thân của một loại cây giống cỏ, qua đó để lộ phần bên trong của nó dường như có cấu trúc mở và thoáng mát. Anh ấy nói đùa rằng có thể Chen sẽ muốn nghiên cứu nó. Cô bỏ nó vào ba lô rồi quên mất chuyện đó.
a) Juncus effusus L. (JE) b) Bọt khí dung JE (JEA) được chiết xuất. c) Ảnh SEM của mạng JEA. d) Hình ảnh kính hiển vi quang học phân cực của các đơn vị cellulose hình sao rỗng (HSCU). e) Sơ đồ quy trình và cấu trúc chuẩn bị HSC-TENG. f) Ảnh SEM của điện cực AgNWs. g) Ảnh SEM của bề mặt màng cellulose hình sao rỗng (PHSC) nguyên sơ. h) PHSC bán trong suốt và có thể uốn cong. i) PHSC nhẹ (3 cm × 2 cm, 19,86 mg). Tín dụng: Vật liệu chức năng nâng cao (2023). DOI: 10.1002/adfm.202304801
Gần hai năm sau, Chen lại tìm thấy cây này trong ba lô của mình. Cô đã cố gắng tạo ra điện từ vi khuẩn, sử dụng vật liệu xốp làm môi trường cho chúng sinh sống. Kết quả không hứa hẹn nên cô quyết định xem xét kỹ hơn về loại cây giống cỏ này: một loại cỏ dại vùng đất ngập nước phổ biến được gọi là mềm. cói (Juncus effusus L.).
Những bông tuyết nhỏ
Chen giải thích: “Cấu trúc của thân cây cói mềm bao gồm các lớp sao liên kết với nhau, hơi giống những bông tuyết nhỏ”. Các lớp này được xếp chồng lên nhau, tạo ra một cấu trúc cho phép nhiều không khí lưu thông qua. Chen nói: "Các mẫu của tôi siêu nhẹ. Có lần, tôi để các mẫu không che chắn và khi tôi mở cửa phòng thí nghiệm, các mẫu đã bị thổi bay. Có vẻ như tuyết đã rơi ở hành lang."
Bên trong của nhiều loài thực vật thủy sinh hoặc đất ngập nước bao gồm một cấu trúc mở như vậy, được gọi là khí mô. Chen nói: “Cây cần cấu trúc mở này để thở vì rễ của chúng ở trong môi trường ẩm ướt, chúng cần lấy oxy từ không khí và vận chuyển nó qua thân cây”. Hóa ra, vật liệu này cũng là nguồn tài nguyên thay thế tuyệt vời cho các loại bọt có nguồn gốc thực vật tự nhiên.
Một thiết bị nhỏ để nhét vào giày của bạn
Hình dạng độc đáo của những bông tuyết nhỏ trong thân cây cói mềm cũng hoàn hảo để chế tạo máy phát điện nano: một thiết bị nhỏ tạo ra điện tích, có thể được sử dụng làm cảm biến hoặc làm nguồn năng lượng. Máy phát điện nano như vậy có thể giúp xu hướng hiện nay của các thiết bị đeo nhỏ hơn bao giờ hết trở nên bền vững hơn, thay thế pin mà cuối cùng trở thành rác thải điện tử.
Cùng với các đồng nghiệp Wenjian Li và Feng Yan, Chen đã chế tạo một máy phát điện nano có kích thước bằng một con tem bưu chính, dày khoảng một mm. Đồng tác giả Dina Maniar giải thích, nó hoạt động như một cảm biến chuyển động, "Bạn có thể đặt nó vào giày và khi bạn đi, nhảy hoặc chạy, nó sẽ phát ra một tín hiệu riêng biệt mà chúng ta có thể nhận ra."
Thiết bị nhỏ bé này được xây dựng dựa trên hiện tượng tương tự khiến bạn bị sốc khi chạm vào tay nắm cửa sau khi đi trên thảm: cái gọi là hiệu ứng điện ma sát. Nó bao gồm hai lớp nhỏ với bề mặt gồ ghề. Hai lớp được ngăn cách nhau bằng một lớp ngăn cách, nhưng khi ấn vào sẽ có ma sát giữa các lớp, tạo ra điện tích—giống như điện tích tích tụ khi bạn lê chân trên thảm. Maniar nói: “Điều này cho phép chúng tôi chuyển đổi chuyển động thành tín hiệu điện”.
Những bông tuyết nhỏ từ cây cói mềm tạo ra bề mặt nhám, xốp với nhiều lỗ trên các lớp của máy phát điện nano: hoàn hảo để tạo ra ma sát tối ưu giữa các lớp trong khi vẫn giữ cho nó rất nhẹ. Đây một lần nữa là một phát hiện tình cờ: Chen đã bỏ một số nguyên liệu thực vật đã hòa tan của mình lên lá nhôm và không dọn sạch được. Nước bay hơi, để lại một lớp màng mỏng với bề mặt thô ráp như những bông tuyết nhỏ li ti.
Chúng ta thực sự có thể gọi nó là bền vững
Các nhà nghiên cứu đã cố gắng tạo ra các vật liệu giống như bọt dựa trên cellulose từ thực vật trong nhiều năm. Giáo sư Hóa học Ứng dụng và đồng tác giả Katja Loos giải thích: “Thông thường, rất nhiều tài nguyên được sử dụng để chiết xuất cellulose, phá vỡ cấu trúc như cũ”. “Sau đó, rất nhiều nguồn lực sẽ được dùng để tạo ra cấu trúc mong muốn cho các vật liệu mới.”
Chen đã có thể giữ lại các khối xây dựng—những 'bông tuyết' nhỏ—của lớp cao su mềm bên trong, bằng cách gọt vỏ thân cây và hòa tan nó trong một hỗn hợp đơn giản. Chen nói: “Vì vậy, chúng tôi thực sự có thể gọi nó là bền vững”. Quá trình này đòi hỏi ít năng lượng và không có vật liệu hóa thạch gốc dầu. Chen hiện đang làm việc trên các ứng dụng khác. Cô ấy muốn sử dụng những bông tuyết cói mềm mại như một phần của pin và để loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước.
Chen phát hiện ra rằng thật không may, chính quyền địa phương gần đây đã loại bỏ rất nhiều cây cao điểm mềm. Cô ấy nhún vai. "Bây giờ tôi chỉ cần đạp xe thêm một chút nữa để lấy được nó." Cô mỉm cười, "Trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, nó không phải là cỏ dại; nó là một nguồn tài nguyên quý giá."
Công trình được công bố trên tạp chí Vật liệu chức năng nâng cao và Cellulose .
