Un “legno solare” produce elettricità anche senza il sole

Un team della Guangdong University of Technology ha trasformato il legno di balsa in un dispositivo solare multifunzione: assorbe la luce, accumula calore e genera elettricità. I canali interni di questo “legno solare”, svuotati della lignina, sono stati rivestiti con nanofogli di fosforene nero protetti da una rete di acido tannico e ferro, poi ricoperti di nanoparticelle d’argento e molecole idrofobiche.

Il risultato è un composito che converte il 91,27% della radiazione solare in calore e lo immagazzina come energia latente.

Legno solare, la ricerca quotidiana del materiale giusto

Passo una quantità poco dignitosa di tempo a cercare materiali che facciano più cose contemporaneamente, per raccontarvi a che punto è il loro sviluppo. Di solito trovo compromessi: guadagni in efficienza, perdi in durata. Aggiungi impermeabilità, perdi capacità termica. Questa volta la storia è diversa, e ve la racconto nell’ordine in cui è successa.

I ricercatori sono partiti dal legno di balsa, uno dei più porosi in natura. Con un trattamento a clorito di sodio hanno rimosso selettivamente la lignina, portando la porosità oltre il 93% e lasciando intatti i microcanali verticali della cellulosa: corridoi larghi dai 20 ai 50 micrometri, perfetti per intrappolare materiali a cambio di fase.

Il problema è che senza lignina il legno diventa bianco. Riflette la luce solare invece di assorbirla. E allora? La soluzione classica era carbonizzare tutto: funzionava per il colore, ma distruggeva i gruppi chimici necessari per qualsiasi modifica successiva. Impermeabilizzazione, resistenza al fuoco, tutto bruciato via insieme alla lignina. Il team ha deciso di non accettare il compromesso.

Il sandwich nanometrico che cambia le regole

La strategia del team cinese si è sviluppata a strati, con ogni strato agganciato chimicamente al precedente. In questo ‘panino’ legnoso 0rima vengono i nanofogli di fosforene nero (meno di cinque atomi di spessore), che assorbono radiazione dall’ultravioletto al vicino infrarosso e la convertono in calore. Il fosforene ha anche proprietà ignifughe intrinseche, un bonus che elimina la necessità di additivi separati.

Il fosforene “nudo” però si degrada rapidamente all’aria. Per questo una rete metallo-polifenolica (acido tannico coordinato con ioni ferro) avvolge ogni nanofoglio come un involucro protettivo. E la cosa a quanto pare funziona: dopo 150 giorni di esposizione solare i fogli rivestiti erano ancora intatti: quelli senza protezione, ossidati e inutilizzabili.

Passiamo al terzo strato: sopra questa rete metallo-polifenolica crescono nanoparticelle d’argento che aggiungono risonanza plasmonica nel visibile¹ e pure attività antibatterica (contro E. coli e S. aureus).

L’ultimo strato è un innesto di catene alchiliche a 18 atomi di carbonio: abbassano l’energia superficiale e rendono il tutto superidrofobo, con un angolo di contatto dell’acqua di 153°. Il legno solare modificato non assorbe praticamente acqua: quello non trattato ne assorbe quasi 200 volte il proprio peso.

I numeri del legno solare

• 91,27% di efficienza nella conversione e accumulo fototermico
• 175 kJ/kg di calore latente
• Conducibilità termica 3,9 volte superiore all’acido stearico puro
• 0,65 V di tensione generata (sufficienti per alimentare una ventola)
• 100 cicli termici senza degradazione misurabile
• Autoestinzione entro 120 secondi nei test di combustione verticale

Legno solare che non brucia (e il paradosso è tutto qui)

Nei test di combustione il composito non trattato bruciava senza sosta. Quello ingegnerizzato si autoestingueva in due minuti, con un calo del 27,4% nel picco di rilascio termico e del 31,2% nel calore totale. Dopo la combustione la microstruttura allineata restava intatta, formando uno strato di carbone grafitizzato stabile. La versione non modificata si disintegrava in frammenti.

Il fosforene e la rete polifenolica lavorano su due fronti: nella fase condensata promuovono la formazione di carbone stabile, nella fase gassosa i radicali contenenti fosforo catturano le specie che propagano la fiamma. Un legno solare che resiste al fuoco: se lo raccontate a un falegname, vi ride in faccia.

Dove il distacco non regge più

Ammetto che mi fa un certo effetto. Un materiale bio-derivato (costruito a partire da un albero a crescita rapida) assorbe il sole, lo conserva, genera corrente, respinge l’acqua. e resiste al fuoco e ai batteri. Senza carbonizzazione, senza compromessi strutturali. Il team suggerisce che la strategia modulare potrebbe estendersi ad altri materiali bidimensionali e ad altre biomasse oltre la balsa.

Ho un timore, e lo metto qui: che resti in laboratorio. L’approccio è elegante, i numeri sono solidi, ma tra la dimostrazione su scala centimetrica e un pannello installabile su un tetto passano anni, investimenti e certificazioni.

Al momento, peraltro, la tensione generata basta per una ventola, non ancora per alimentare una casa di notte. Eppure il principio è lo stesso che muove i fluidi svedesi capaci di trattenere energia solare per quasi vent’anni e i materiali a cambio di fase ricavati dalla lolla di riso: prendere qualcosa che la natura ha già costruito e convincerlo a fare di più, senza distruggerlo nel processo.

Però pensate che bello: un pezzo di legno che trattiene il sole e rilascia energia. La accendiamo? Tanto non brucia.

Approfondisci

Il tema dell’accumulo di energia solare senza batterie tradizionali si muove su più fronti, dal liquido svedese che immagazzina calore per quasi vent’anni ai materiali a cambio di fase derivati dalla lolla di riso fino ai pannelli solari di Stanford che generano elettricità anche dopo il tramonto.

1. È il fenomeno per cui la luce visibile fa oscillare all’unisono gli elettroni liberi sulla superficie di un metallo o di una nanoparticella metallica. Quando la frequenza della luce “giusta” coincide con quella naturale di queste oscillazioni, si ha una risonanza e il materiale assorbe o diffonde la luce in modo molto forte. ↩︎