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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

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!

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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!

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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。

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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。

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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。

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图4. 腐烂木材的压电输出。

同时,研究人员指出,虽然有许多化学物质(例如氢氧化钠)可以代替真菌去除部分木质素,且速度可能更快。 但是,基于真菌处理木材的方法具有化学法不可取代的优点,那就是:完全可持续和环境友好。

此外,在基础研究的基础上,研究人员设想了制造大型木地板的可能性,从而可以通过人类活动(例如宴会厅)来生产电能。

也许很快,我们将拥有一种由木头制成的新型电地板,由于压电效应,当我们在地板上行走或活动时,它可以自行发电,供我们在日常生活中使用。

参考文献:Sun et al., Enhanced mechanical energy conversion with selectively decayed wood. Sci. Adv. 2021; 7: eabd9138. DOI: 10.1126/sciadv.abd9138

https://advances.sciencemag.org/content/7/11/eabd9138

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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