Исследователи надеются, что в ближайшем будущем древесина не только будет служить экологичным строительным материалом, но и сможет собирать электроэнергию для бытовых приборов.
Команда швейцарских ученых доказала , что древесина — это нечто большее, чем просто строительный материал. Исследователь Инго Бургерт со своей командой из государственного исследовательского университета ETH Zurich химически модифицировал древесину, сделав ее более сжимаемой и превратив тем самым в мини-генератор. При его сжатии генерируется электрическое напряжение, а сама древесина может служить строительным материалом, собирающим энергию.
Все ранние опыты этой исследовательской группы были направлены на изучение и улучшение свойств древесины, чтобы использовать ее для новых целей. Например, ученые уже разработали высокопрочную, водоотталкивающую и «намагничивающуюся» древесину. А теперь вместе с швейцарской федеральной лабораторией Empa команда использовала один химический и один биологический процесс для генерации электрического напряжения из древесной губки.
Как это работает
Древесина обладает естественным пьезоэлектрическим эффектом — то есть действует как мини-аккумулятор. При сжатии древесины генерируется электрическое напряжение. Однако в природе это напряжение очень низкое. Чтобы его увеличить, необходимо сделать древесину более сжимаемой.
Как сделать губку из дерева
Чтобы превратить древесину в легко сжимаемый материал, необходимо растворить один из трех компонентов клеточных стенок древесины: лигнина, гемицеллюлозы и целлюлозы. Лигнин — стабилизирующее вещество, необходимое деревьям для роста и соединяющее его клетки. Если удалить его химическим путем, древесину можно сделать деформируемой. В результате ее пьезоэлектрический эффект усилится.
Ученые смогли убрать лигнин, поместив древесину в смесь перекиси водорода и уксусной кислоты. Кислоты растворили вещество, оставив каркас из слоев целлюлозы. При этом удалось сохранить структуру древесины и предотвратить разборку отдельных волокон. Таким образом, кусок пробкового дерева превратился в белую деревянную губку, состоящую из слоев тонкой целлюлозы. Губку можно просто сжать, а затем она вернется к своей первоначальной форме. Такая деревянная губка, по словам ученых, генерирует электрическое напряжение в 85 раз выше, чем необработанная древесина.
Что показали опыты
Команда провела опыт с испытательным кубом с длиной стороны примерно 1,5 см, подвергнув его 600 циклам нагрузки. Деревянная губка оказалась на удивление стабильной: при каждой нагрузке исследователи зафиксировали напряжение примерно 0,63 вольт, что соответствовало показаниям датчика. В дальнейших экспериментах команда проверила масштабируемость этого мини-генератора. Если соединить 30 таких деревянных блоков и равномерно нагружать их массой, равной весу тела взрослого человека, вырабатывается достаточно электроэнергии для питания простого жидкокристаллического дисплея.
Совершенствование древесной губки
В последующих экспериментах группа ученых пошла еще дальше, стремясь создать деревянную губку без использования химикатов. Исследователи нашли решение в природе: гриб Ganoderma applanatum вызывает белую гниль в древесине и мягко разрушает лигнин и гемицеллюлозу. Хотя генерируемое электрическое напряжение получилось ниже, чем в случае с химически обработанной древесиной, грибковый процесс более безопасен для окружающей среды.
Итоги экспериментов
У такой простой возобновляемой пьезоэлектрической системы есть явные преимущества. Исследователи видят различные потенциальные применения древесных губок: например, в качестве экологически безопасных строительных материалов, которые собирают энергию на этапе использования, или в качестве датчиков давления для кожи в медицинских целях.
Тем не менее, необходимо провести еще ряд исследований, прежде чем пьезо-дерево можно будет использовать в качестве биосенсора или даже в качестве паркетного пола, собирающего электричество. Сейчас вместе с различными партнерами ученые думают, как адаптировать технологию для промышленных целей.
Читайте также:
Тумбочка в космосе: первый в мире деревянный спутник
Альбатрос-долгожитель и дерево, которое видело Будду
Новая Зеландия построит систему беспроводной передачи электричества
