Een sensor van onkruid

Macromoleculair chemicus Qi Chen van de Rijksuniversiteit Groningen vond een vervelend onkruid en gebruikte het om een kleine, zelfaangedreven sensor te bouwen.

Door: Charlotte Vlek, RUG

Het verhaal van Qi Chen’s onderzoek is er een vol serendipiteit. In het eerste jaar van haar promotieonderzoek zat ze met vrienden buiten de onderwerpen van hun onderzoek te bespreken. Chen legde uit dat ze schuimachtige materialen zou bestuderen. Een vriend had ondertussen de buitenkant van een grasachtige plant zitten pellen, waarbij binnenin een open en luchtige structuur zichtbaar werkt. Voor de grap stelde hij voor dat Chen dat wel zou kunnen onderzoeken. Ze stopte de plant in haar rugzak en dacht er verder niet meer aan.

Bijna twee jaar later kwam ze de plant weer tegen in haar rugzak. Ze had in die twee jaar geprobeerd om bacteriën elektriciteit te laten produceren, met een schuimachtig materiaal als leefomgeving voor die bacteriën. De resultaten waren niet bepaald goed. Dus ze besloot om eens beter te kijken naar die grasachtige plant: een veelvoorkomend onkruid met de naam pitrus (Juncus effusus L.). 

Kleine sneeuwvlokjes

“De structuur van de pitrus-stengel bestaat uit laagjes van onderling verbonden sterretjes, een beetje alsof het kleine sneeuwvlokjes zijn”, vertelt Chen. Deze laagjes liggen boven op elkaar, waardoor een structuur ontstaat waar veel lucht doorheen kan. “Het materiaal was vederlicht. Een keer liet ik een beetje ervan onafgedekt liggen in het lab, en toen ik de deur opendeed waaide het weg. Het was net of het gesneeuwd had in de gang.”

De binnenkant van planten in waterrijke gebieden heeft vaak zo’n open structuur: aerenchyma. “De plant heeft deze structuur nodig om te ademen, want met hun wortels in een natte omgeving moeten ze zuurstof uit de lucht door de stengel transporteren.” Nu blijkt het een fantastisch schuimachtig materiaal te zijn.  

Een klein apparaatje voor in je schoen

De unieke vorm van deze kleine sneeuwvlokjes in de pitrus-stengel bleek perfect voor een nanogenerator. Samen met collega’s Wenjian Li en Feng Yan, bouwde Chen er een ter grootte van een postzegel, ongeveer een millimeter dik. Die kan dienen als bewegingssensor. Co-auteur Dina Maniar: “Je kunt het in je schoen stoppen, en als je loopt, springt of rent, geeft het een specifiek signaal af dat we kunnen herkennen.”

Het apparaatje werkt op basis van het tribo-elektrisch effect. Het bestaat uit twee dunne laagjes met een ruw oppervlak die uit elkaar worden gehouden door een separator. Wanneer ze worden samengedrukt ontstaat wrijving, en produceren ze een elektrische lading.

De sneeuwvlokjes vormen een ruw, schuimachtig laagje met veel poriën erin op de laagjes van de nanogenerator: perfect voor wrijving en tegelijk lichtgewicht. Dit was opnieuw een toevallige vondst: Chen liet wat van haar oplossing met materiaal van het plantje vallen op aluminiumfolie en ruimde het niet meteen op. Het water verdampte en een dun laagje bleef achter, met de ruwe structuur van de sneeuwvlokjes.

‘Dit kunnen we echt duurzaam noemen’

Al jaren werken wetenschappers aan schuimachtige materialen op basis van cellulose uit planten. “Doorgaans gaat er veel energie zitten in het onttrekken van de cellulose, waarbij ook de structuur ervan kapotgaat,” zegt hoogleraar toegepaste chemie en co-auteur Katja Loos. “Daarna gaat er weer veel energie zitten in het produceren van de benodigde structuren voor nieuwe materialen.”

Chen haalde de bouwstenen uit de pitrus-plant door die simpelweg te pellen en op te lossen in een eenvoudige mix. “We kunnen dit dus echt duurzaam noemen”, zegt Chen: “in dit proces ging weinig energie zitten, en geen fossiele oliën.” Momenteel werkt ze aan andere toepassingen: ze wil de sneeuwvlokjes gebruiken in een batterij, en om vervuiling uit water te verwijderen.

Het onderzoek werd gepubliceerd in Advanced Functional Materials