Voltage du bois

Ingo Burgert et son équipe de l'ETH Zurich et de l'Empa l'ont prouvé à maintes reprises : le bois est bien plus qu'un simple matériau de construction. Leurs recherches visent à améliorer les propriétés du bois pour l'adapter à des applications entièrement nouvelles. Il·les ont par exemple déjà développé du bois à haute résistance, hydrofuge et magnétisable.

En collaboration avec le groupe de recherche de l'Empa dirigé par Francis Schwarze, l'équipe a utilisé un procédé chimique et un procédé biologique pour générer une tension électrique à partir d'une sorte d'éponge de bois. Ce faisant, il·les amplifient ce que l'on appelle «l'effet piézoélectrique» du bois.

La compression crée une tension

Lorsqu'un matériau piézoélectrique est déformé élastiquement, il génère une tension électrique. 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. Toutefois, bon nombre des matériaux souvent utilisés pour ces capteurs ne conviennent pas aux applications biomédicales. Le titanate de zirconate de plomb (PZT), par exemple, ne peut pas être utilisé sur la peau en raison de son plomb toxique, et doit être spécialement éliminé.

Le bois a également un effet piézoélectrique naturel, mais il ne génère qu'une très faible tension électrique. Si l'on veut augmenter la tension, il faut modifier la composition chimique du bois, ce qui le rend également plus compressible.

Du bloc à l'éponge

Pour transformer le bois en un matériau facilement transformable, il faut dissoudre un composant des parois cellulaires. Les parois cellulaires du bois se composent de trois substances de base : la lignine, l'hémicellulose et la cellulose. «La lignine est la substance stabilisatrice dont les arbres ont besoin pour grandir. Sans la lignine, qui relie les cellules et empêche les fibres de cellulose rigides de se déformer, cela ne serait pas possible», déclare Ingo Burgert.

Il y a quelques mois, Jianguo Sun, un doctorant de l'équipe d'Ingo Burgert, ainsi que des collègues de l'ETH Zurich et de l'Empa, ont montré dans une étude publiée dans ACS Nano comment le bois peut être rendu déformable si la lignine est éliminée chimiquement. Son effet piézoélectrique s'en trouve renforcé.

Les chercheur·ses ont réalisé cette «délignification» en plaçant le bois dans un mélange de peroxyde d'hydrogène et d'acide acétique. L'acide dissout la lignine, laissant une structure de couches de cellulose. «Ce procédé conserve la structure hiérarchique du bois et empêche le désassemblage des fibres individuelles», explique Ingo Burgert.

Ainsi, un morceau de balsa devient une éponge en bois blanche, composée de couches successives de cellulose fine. Il suffit de comprimer l'éponge pour qu'elle reprenne sa forme initiale. «L'éponge de bois génère une tension électrique 85 fois plus élevée que celle du bois natif (non traité)", explique Jianguo Sun.

L'équipe a soumis un cube d'essai d'environ 1,5 cm de côté à quelque 600 cycles de charge. L'éponge en bois s'est avérée étonnamment stable : pour chaque charge, les chercheur·ses ont mesuré une tension d'environ 0,63 volt, ce qui serait approprié pour un capteur. Lors d'autres expériences, l'équipe a testé l'évolutivité de ce mini-générateur. Si 30 de ces blocs de bois sont reliés entre eux et chargés uniformément avec le poids du corps d'un adulte, l'électricité produite est suffisante pour alimenter un simple écran LCD.

Traitement par les champignons au lieu de produits chimiques

Dans une étude de suivi qui vient d'être publiée dans Science Advances, l'équipe de recherche ETH Zurich-Empa est allée plus loin en cherchant à produire l'éponge en bois sans utiliser de produits chimiques. Les chercheur·ses ont trouvé la solution dans la nature : le champignon Ganoderma applanatum provoque la pourriture blanche du bois et dégrade la lignine et l'hémicellulose de manière particulièrement douce. «Bien que la tension électrique générée ait été plus faible lors des premiers tests qu'avec du bois traité chimiquement, le processus fongique est plus respectueux de l'environnement», explique Ingo Burgert.

Les avantages d'un système piézoélectrique aussi simple et renouvelable sont évidents. Les chercheur·ses entrevoient diverses applications potentielles pour les éponges de bois, par exemple en tant que matériaux de construction durables permettant de récolter de l'énergie pendant la phase d'utilisation, ou en tant que capteurs de pression doux pour la peau à des fins médicales.

Toutefois, il reste encore plusieurs étapes à franchir avant que le bois piézoélectrique puisse être déployé comme biocapteur, ou même comme parquet récupérateur d'électricité. Ingo Burgert et ses collègues étudient maintenant, avec différents partenaires de coopération, comment adapter la technologie à des applications industrielles.

Ceci est une version légèrement modifiée d'un article initialement publié par l'Empa.