Напряжение от паркета

Исследователи из Empa и ETH Zurich сделали дерево сжимаемым и превратили его в микрогенератор. Когда он нагружен, генерируется электрическое напряжение. Таким образом, древесина может служить биосенсором- или генерировать полезную энергию. Последняя изюминка: чтобы гарантировать, что процесс не требует агрессивных химических веществ, естественные древесные грибы берут на себя задачу модификации древесины.

Полная энергии: модифицированная древесина может генерировать электричество через деформацию. Достаточно ли танго для тусклого света? Изображение: istock

Инго Бургерт и его команда из Empa и ETH Zurich доказали это снова и снова: дерево-это гораздо больше, чем "просто" строительный материал. Их исследования направлены на расширение существующих характеристик древесины таким образом, чтобы она была пригодна для совершенно новых областей применения. Например, они уже разработали высокопрочную, водоотталкивающую и намагничивающуюся древесину. Теперь вместе с исследовательской группой Empa Фрэнсиса Шварце и Хавьера Риберы команда разработала простой, экологически чистый процесс получения электроэнергии из древесной губки, об этом они сообщили на прошлой неделе в журнале Science Advances.

Напряжение через деформацию

Уже небольшое давление может генерировать электрическое напряжение в древесной губке. Изображение: ACS Nano / Empa

Если вы хотите производить электричество из дерева, в игру вступает так называемый пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектричество означает, что электрическое напряжение создается упругой деформацией твердых тел. Это явление в основном эксплуатируется метрологией, которая использует датчики, генерирующие сигнал заряда, скажем, при приложении механической нагрузки. Однако такие датчики часто используют материалы, непригодные для использования в биомедицинских приложениях, такие как цирконат титаната свинца (PZT), который не может быть использован на коже человека из-за содержащегося в нем свинца. Это также делает экологическую утилизацию PZT и Co довольно сложной. Таким образом, возможность использования естественного пьезоэлектрического эффекта древесины дает ряд преимуществ. Если подумать дальше, то этот эффект можно было бы также использовать для устойчивого производства энергии. Но прежде всего древесине необходимо придать соответствующие свойства. Без специальной обработки древесина недостаточно гибка; при механическом воздействии на нее образуется только очень низкое электрическое напряжение в процессе деформации.

От блока к губке

Так работает пьезоэлектрический наногенератор: после растворения жесткой деревянной конструкции остается гибкая целлюлозная сеть. Когда он сжимается, заряды разделяются, создавая электрическое напряжение.

Цзянго Сун, аспирант из команды Бюргерта, использовал химический процесс, который является основой для различных "усовершенствований" древесины, предпринятых командой в последние годы: делигнификация. Клеточные стенки древесины состоят из трех основных материалов: лигнина, гемицеллюлозы и целлюлозы. - Лигнин-это то, что нужно дереву прежде всего для того, чтобы вырасти до больших высот. Это было бы невозможно без лигнина как стабилизирующего вещества, которое соединяет клетки и предотвращает изгиб жестких целлюлозных фибрилл", - объясняет Бюргерт. Чтобы превратить древесину в материал, который легко деформируется, лигнин должен хотя бы частично "экстрагироваться". Это достигается путем помещения древесины в смесь перекиси водорода и уксусной кислоты. Лигнин растворяют в этой кислой ванне, оставляя каркас из слоев целлюлозы. "Мы используем преимущества иерархической структуры древесины без предварительного ее растворения, как это имеет место, например, при производстве бумаги, а затем снова соединяем волокна", - говорит Бюргерт. Получившаяся белая древесная губка состоит из наложенных друг на друга тонких слоев целлюлозы, которые легко сжимаются вместе, а затем снова расширяются в свою первоначальную форму – древесина становится эластичной.

Электричество от деревянных полов

Наногенератор: после растворения жесткой структуры древесины (слева) кислотой остаются гибкие слои целлюлозы (посередине / справа). Когда они прижаты друг к другу, разно заряженные области смещаются друг относительно друга. Поверхность материала становится электрически заряженной. Изображение: ACS Nano / Empa

Команда бюргерта подвергла испытательный куб с длиной стороны около 1,5 см примерно 600 циклам нагрузки. Материал показал удивительную устойчивость. При каждом сжатии исследователи измеряли напряжение около 0,63 в – достаточное для применения в качестве датчика. В дальнейших экспериментах ученые попытались увеличить размеры своих деревянных наногенераторов. Например, им удалось показать, что 30 таких деревянных блоков, нагруженных параллельно массе тела взрослого человека, могут загораться простым жидкокристаллическим дисплеем. Поэтому можно было бы разработать деревянный пол, способный преобразовывать энергию людей, идущих по нему, в электричество. Исследователи также проверили его пригодность в качестве датчика давления на коже человека и показали, что он может быть использован в биомедицинских приложениях.

Применение в процессе подготовки

Растровые электронные микроскопические изображения пробковой древесины (слева) и делигнифицированной древесины иллюстрируют структурные изменения. Изображение: ACS Nano / Empa

Однако работа, описанная в последней публикации команды Empa-ETH, идет еще дальше: Цель состояла в том, чтобы изменить процесс таким образом, чтобы он больше не требовал использования агрессивных химических веществ. Исследователи нашли подходящего кандидата, который мог бы осуществить делигнификацию в виде биологического процесса в природе: гриб Ganoderma applanatum, вызывающий белую гниль в древесине. "Гриб расщепляет лигнин и гемицеллюлозу в древесине особенно мягко", - говорит исследователь Empa Хавьер Рибера, объясняя экологически чистый процесс. Более того, процесс можно легко контролировать в лаборатории.

Еще предстоит сделать несколько шагов, прежде чем "пьезо" дерево можно будет использовать в качестве датчика или в качестве электрического деревянного пола. Но преимущества такой простой и в то же время возобновляемой и биоразлагаемой пьезоэлектрической системы очевидны – и сейчас они исследуются Бюргертом и его коллегами в последующих проектах. А чтобы адаптировать технологию для промышленного применения, исследователи уже ведут переговоры с потенциальными партнерами по сотрудничеству