Группа исследователей из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий в очередной раз продемонстрировала многогранность древесины как универсального материала. В частности, учёные сделали древесину эластичной и превратили её в микрогенератор электроэнергии.
Швейцарские исследователи во главе с Инго Бургертом снова и снова доказывают миру, что древесина – гораздо больше, чем просто строительный материал. Учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий стремятся расширить спектр существующих характеристик древесины, чтобы сделать её применимой в самых непредсказуемых отраслях. Более того, Бургерт и его коллеги уже сумели наделить материал непривычными для него свойствами, сделав его водоотталкивающим, способным намагничиваться и выдерживать высокие нагрузки.
Целлюлоза в составе древесины довольно легко положительно электризуется, то есть древесина обладает пьезоэлектрическим эффектом. Данный эффект возникает при поляризации диэлектрика в твёрдых веществах под воздействием механической деформации. Пьезоэффект широко применяют в пьезозажигалках, а также в разнообразных датчиках в качестве чувствительных элементов, например, в электроакустических приборах или в силоизмерительных приборах. Мысль об использовании лесоматериалов в качестве безопасного для людей и экологичного генератора электроэнергии вовсе не нова, ведь большинство современных пьезо-сенсоров используют материалы, которые довольно сложны как в эксплуатации, так и в утилизации, например, PZT (цирконат-титанат свинца). Впрочем, без должной обработки древесина недостаточно пластична для производства практичного количества энергии при помощи деформации. Решением именно этой проблемы занялся Инго Бургерт и его коллеги.
Химический состав древесины представлен преимущественно целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином. Именно присутствие лигнина способствует одеревенению клеточных оболочек, необходимого для «строительства» жёстких и устойчивых стеблей и стволов. Чтобы сделать древесину пластичной, нужно хотя бы частично или полностью «удалить» лигнин. Это достигается путём делигнификации – помещения древесины в смесь перекиси водорода и уксусной кислоты. Когда лигнин растворяется, в кислотной ванне остаётся только каркас из целлюлозы. Такая эластичная древесная губка легко сжимается и возвращается в прежнюю форму.
Далее команда Бургерта подвергла тестовый кубик с длиной грани около 1,5 см сотням циклов нагрузки. Губка из древесины продемонстрировала многократное повышение пьезоэлектрического эффекта при сохранении стабильности материала. При сжатии под давлением до 45 кПа кубик генерировал электричество с силой тока до 13 нА при максимальном вольтаже до 0,87 В. Под весом взрослого человека комплекс из 30 таких кубиков смог бы выдать достаточно энергии для включения коммерческого LCD-дисплея. Такие результаты натолкнули исследователей на идею создать из модифицированной древесины напольное покрытие, способное конвертировать в электричество энергию шагов людей. Учёные также протестировали совместимость древесного пьезо-сенсора с человеческой кожей: эксперименты показали, что такие микрогенераторы электроэнергии можно будет безопасно использовать для питания биомедицинских устройств.
Несмотря на успех исследования, швейцарские учёные не остановились на достигнутом. В ходе дальнейших экспериментов они попытались сделать более экологичным не только сам древесный пьезо-сенсор, но и процесс его делигнификации. Взамен агрессивных и опасных химикатов они использовали гриб Ganoderma applanatum – трутовик плоский, который в природе вызывает белую или жёлто-белую гниль древесины. Это вредитель бережно расщепляет лигнин и гемицеллюлозу, оставляя порошок целлюлозы. По словам исследователей, данный процесс легко контролировать в лабораторных условиях. Достоинства такого простого, возобновляемого и биоразлагаемого пьезо-материала очевидны, однако учёным предстоит ещё немало работы, чтобы адаптировать технологию для применения в промышленных масштабах.
