有心人用一块烂木头发了一篇《Science》子刊！朽木亦“可雕”

高分子科学前沿 2021年

作者|高分子科学前沿来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

一块腐烂的木头，能干什么呢?

可能很多人脑海里浮现的想法就是，任其腐烂，滋养大地或者用它烧火供暖。

出乎意料地是，腐烂的木头不仅能够继续用作建筑材料(如新型地板)，能够发电，竟然还用它发了一篇Science子刊!

近日，苏黎世联邦理工学院Ingo Burgert教授领导的团队发现，通过使用某种白腐真菌处理木材，不仅可以大幅提高木材的弹性和可压缩性，还可以用来发电。与未处理的木材相比，压电输出可增加55倍以上：在45 kPa压力下，一块腐烂的木材(15*15*13.2 mm)能够产生0.87 V的电压和13.3 nA的电流!

图1. 真菌处理后腐烂木材的结构变化和压电效应的示意图。

木材如何发电呢？

众所皆知，木材是一种出色的“绿色”建筑材料，具有可再生、可持续和吸收二氧化碳等诸多优点。然而，很少有人知道，除了建筑材料，木材还可以用来发电。

上世纪五十年代，日本科学家Eiichi Fukada教授便发现了木材具有压电效应（ref.: 10.1143/JPSJ.10.149）：由于木材中纤维素微晶原纤维的单轴取向和单斜对称性，木材会在机械应力下产生电极化（由结晶纤维素的位移引起）。换句话说，在压缩结晶纤维素链段时，正电荷和负电荷的质心不再重合，从而在木材表面感应出电荷以实现静电平衡。

然而由于天然木材固有的坚固性，本身的变形能力有限，因此其压电模量低，从而导致其电输出功率低。

那么，有什么办法能够提高木材的电输出呢？答案竟然是，真菌处理，腐烂！

真菌“吃掉”木质素，提高机械可压缩性

为了解决该问题，研究人员探索了一种绿色、可持续的天然真菌处理木材的生物学方法，能够大幅提高木材的形变能力，使其具有更高的可压缩回弹性，从而导致纤维素晶体的位移更高，提高了电输出效率。

到底是怎么回事呢？原来，木质素是木材中的结构材料，木材之所以如此坚固，木质素起着至关重要的作用。而研究人员使用的这种白腐真菌（Ganoderma applanatum）能够“吃掉”木质素。在腐烂的过程中，白腐真菌的菌丝会在木材细胞内腔中生长，并分泌能够降解木质素的细胞外酶，形成很多“空腔”，使木材变成海绵状。这种结构变化使得真菌处理后的木材具有高机械压缩性。

图2. 真菌处理后的腐烂木材的形貌表征。

腐烂木材的机械压缩性能

研究发现，真菌处理木材的最佳周期为10周，此时木材的重量减少了约45%，不仅保持木材原有的形状，还表现出最佳的可压缩性。XRD结果显示，在腐烂的过程中，天然木材中的纤维素Iβ晶体结构在降解过程中没有改变。

与硬质天然木材形成了鲜明对比的是，腐烂的木材（45%的重量损失）沿切线方向显示出较高的机械可压缩性，并且在释放应力后可以恢复到原始状态（图3A）。

为进一步评估木材在真菌处理前后的机械性能，研究人员进行了多次压缩测量，发现：在45 kPa（约10 N力）的应力载荷下，天然木材仅显示出约0.44%的较小应变载荷。而重量损失45%的腐烂木材的应变载荷高达23.67%，相比之下增加了54倍（图3B）！

此外，真菌腐烂后的木材（45%）还具有良好的机械稳定性：在45 kPa的恒定应力下，100次压缩回弹循环后，仅发生了很小的塑性变形（图3D），能量耗散也仅降低0.08（图3E）。这充分说明了腐烂的木材具有良好的机械压缩性和稳定性。

图3. 腐烂木材的机械可压缩性。

腐烂木材的压电行为

随后，研究人员通过安装线性电动机，以恒定的频率施加一定的压力压缩木块，并通过可编程静电计（Keithley 6514）测量压电输出。

研究发现，天然木材在45 kPa的恒定应力下瞬间产生的开路电压仅仅只有0.015 V。形成鲜明对比的是，一块重量损失45%的腐烂木材的电压输出能够达到0.87 V，产生的最大电流为13.3 nA。而且，循环压缩500次，电压输出波动很小，并没有明显的下降。

虽然输出电压不高，只有0.87V，但是它们可以像电池一样连接在一起，通过串联或并联的方法增加输出电压和电流。也就是说，根据所需的应用，可以通过在不同的电连接模式（串联或并联）下集成更多的腐烂木材立方块来简单地改善电压和电流。

为了进一步证明腐烂木材在未来建筑应用的可行性，研究人员通过将9块腐烂木材（重量损失均为45%）并联，制造了一个简单的木地板原型（图4E）。然后，将两块尺寸为45*45mm的铜箔贴到腐烂的木块的径向部分，然后用两块木贴面（厚度为500 μm）覆盖，导线被引出并连接到固定在小型木模型房屋窗户后面的发光二极管（LED）。结果发现，手的压缩和释放动作都可以点亮LED灯，而且产生的电流高达150 nA，这意味着腐蚀木材在未来的自供电家居木板中具有潜在的应用前景。