Ученые придумали как с помощью деревянного пола добывать электричество. Не обошлось без грибов

Электричество из деревянного пола

Швейцарские материаловеды усилили пьезоэлектрический эффект древесины в 55 раз с помощью грибов. Грибы растворяют входящий в состав древесины лигнин и увеличивают сжимаемость древесины. Если сделать из такого материала напольное покрытие, оно будет производить электроэнергию под тяжестью шагов человека. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Древесина состоит из волокон полимеров целлюлозы и гемицеллюлозы в матрице лигнина. Целлюлоза в составе древесины может быть аморфной и кристаллической. Наличие последней делает древесину пьезоэлектриком - материалом, в котором под действием деформации возникают электрические заряды. При сжатии кристаллитов целлюлозы центры тяжести положительных и отрицательных зарядов расходятся в пространстве, и для соблюдения электростатического равновесия на поверхности кристаллита возникают заряды. О пьезоэлектрических свойствах древесины известно с пятидесятых годов, но коммерческие материалы и устройства для получения электричества из нее никто не делал - из-за низкого пьезоэлектрического модуля и деформируемости древесины это считалось нерентабельным.

Читайте:

В Японії за допомогою екологічного бетону планують скоротити викиди вуглекислого газу

Усилить пьезоэлектрические свойства древесины сумели швейцарские ученые под руководством Инго Бюргерта (Ingo Burgert) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Бюргерт и его коллеги уже давно умеют менять свойства древесины и получать на ее основе различные функциональные материалы. Например, в прошлом году они превратили бальзовое дерево в светящийся материал, растворив лигнин и заменив его на раствор люминесцентных квантовых точек. Чтобы сделать древесину хорошим пьезоэлектриком, тоже нужно растворить лигнин, тогда древесина станет более рыхлой, и ее будет проще деформировать. Для того чтобы провести растворение мягко, не повредив целлюлозный каркас, Бюргерт и его коллеги предложили неожиданное решение - обработали древесину грибами отдела базидиомицетов.

За основу материала ученые вновь взяли легкую древесину бальзового дерева (Ochroma pyramidale) с плотностью 94,8 килограмма на кубический метр. Для растворения лигнина использовали три вида грибов: Phanerochaete chrysosporium, Ganoderma adspersum, и Ganoderma applanatum. Древесину резали на тонкие пластинки, сушили при температуре 100 градусов в течение суток, наносили на поверхность свежеприготовленную культуру грибов и оставляли во влажной атмосфере на срок от 4 до 12 недель. Чтобы контролировать, сколько лигнина успели поглотить грибы, образцы древесины тщательно очищали и вновь сушили в течение суток, а затем взвешивали. Самую быструю потерю лигнина обеспечили грибы Ganoderma applanatum. Оптимальным временем обработки Бюргерт и его коллеги посчитали восемь недель (что соответствует потере массы в 45 процентов в основном за счет лигнина) - при более длительной обработке древесина становилась слишком рыхлой и существенно теряла в прочности. Метод Фурье-ИК-спектроскопии подтвердил что грибы преимущественно поглощают лигнин, также наблюдалась небольшая потеря гемицеллюлозы. А вот целлюлозный каркас древесины оставался после обработки практически неизменным - это было хорошо видно не только на ИК-спектрах, но и на снимках сканирующей электронной микроскопии.

Читайте:

Снимки сканирующей электронной микроскопии для образцов древесины на разных стадиях обработки грибами: A - исходный, B и С - 15 процентов потери массы, D - 15 процентов потери массы, E и F - 25 процентов потери массы, G - 45 процентов потери массы, H и I - 55 процентов потери массы.

Как и предполагали авторы работы, лишенная лигнина древесина имела лучшую сжимаемость. В результате смещение центров тяжести заряда в кристаллитах целлюлозы происходило с большей амплитудой, и пьезоэлектрический эффект тоже усилился. Кубик обработанной древесины размером 15 х 15 х 13,2 миллиметров генерировал напряжение в 0,87 вольта и силу тока в 13,3 наноампера. Это в пятьдесят пять раз больше, чем у немодифицированной древесины в тех же условиях. Соединив девять таких кубиков последовательно, авторы получили электроэнергию, достаточную для питания светоизлучающего диода.

Норвезькі вчені винайшли вітряк без лопатей, його можна встановлювати в місті (ВІДЕО)

Из нового материала авторы предлагают сделать напольное покрытие, которое будет производить электроэнергию под тяжестью шагов человека. Такое покрытие можно будет поместить в домах пожилых людей и питать от него датчики, которые активируются, если человек упал. Есть и более экзотические идеи по использованию пьезоэлектрических древесных полов в помещениях для занятий танцами и аэробикой. Отметим, что пока Бюргерт и его коллеги получили пьезоэлектрик только из бальзовой древесины - легкой и с большим количеством пор. В дальнейшем они собираются адаптировать метод для более плотных и тяжелых видов древесины.

Читайте:

ТОП-5 глобальних будівельних проєктів, за якими варто слідкувати