九块朽木点亮一盏灯,90后中国科学家发明木质能量转化器

木头也能发电?几十年前人类就有此畅想,但直到 2021 年,来自中国江苏的 30 岁学者孙建国终于将其实现。

二十世纪四五十年代,人们就发现木材中具有压电效应,对木材施加一定的应力便可在其表面获得相应的电荷,也就是直接把机械能转化为电能。

比较可惜的是,木材里的这种压电效应十分微弱,远低于石英等其他压电材料。极其微弱的电荷输出,使得木材的电能供应之路一直受阻。

几十年后,目前就读于瑞士苏黎世联邦理工学院的博士生孙建国,通过调整木材的内部结构,让其压电输出提高 55 倍,打破了一直以来限制木材压电性能发展的瓶颈,而且解决方法也很奇特 —— 故意腐烂木头。

图 | 孙建国(来源:受访者)

近日,相关论文以《选择性腐烂的木材增强了机械能转换》(Enhanced mechanical energy conversion with selectively decay)为题发表在 Science Advances 上。

图 | 相关论文(来源:受访者)

腐烂木头的具体流程,是把木材放到培养皿中,培养皿中放有一些白腐菌,环境也会设置成适合白腐菌生存的条件,比如湿度要比较高、光线要比较暗。

被密封在培养皿中的木材,经过不同的培养时间后,其重量会有不同程度的损失,而这种损失主要源于被真菌吃掉的木质素。

图 | 真菌处理后木材结构演变的图形说明(来源:Science Advances)

研究中,孙建国通过检验不同腐蚀时间后木材的各项性能, 比如重量损失和可压缩性来确定适合本研究的实验条件,最终获得了最适宜的样品。

图 | 用横切面对木材进行扫描电镜观察,发现木材的失重情况不同(来源:Science Advances)

据悉,木材主要由木质素、纤维素和半纤维素构成,其中纤维素好比木材的骨架,可起到支撑作用,而木材的压电性主要源于纤维素结晶区的形变;木质素则起到纤维间的粘结和加固的作用,有一点类似胶水的感觉。

由于原始木材的形变能力较弱,在较小的压力下,结晶纤维素的形变几不可见,因此其产生的电荷也较为微弱。若是施加较大的力,又会损毁木材。

孙建国的目的是要打散木材原有的结构,使其变成一种形变能力和回弹性都比较好的新型结构,而这个过程则必须先使用干预手段除掉木质素,其中他使用的生物方法相比化学方法更加绿色环保,这也是本次研究的较大创新之处。

图 | 木材经真菌处理前后的力学性能(来源:Science Advances)

经过六周后,具有高压缩性的木材即可被制造出来,通过给其施加一定的压力,纤维可发生较大形变,木材的表面也会释放更多的电能。

随后,孙建国把 9 块腐朽木材放在一起,贴上导电铜箔来收集产生的电荷,最后在电极上面盖有木质贴面进行保护,一个木材能源转换器就这样诞生了,并通过用手击打木材表面,成功点亮了一颗 LED 灯,迈出了木材利用压电效应为生活供电的第一步。

用这种方法制备的腐烂木材,仅使用边长 15 毫米的腐烂木材立方块就可产生 0.85V 的电压。若是增加其面积,就能制作出大型的供电木地板,不仅可为家庭进行一些微型电器的供电,还可作为预防老人跌倒的传感器。不过,该技术目前仅适用于巴沙木,因为它们的密度非常低、细胞壁也非常薄。

图 | 朽烂木材的电量输出(来源:Science Advances)

“反其道而行之” 的研究

因为木材腐蚀一直都存在,比如买回家的木材家具,总会让人担心腐蚀,一旦遇到阴冷潮湿的气候,菌类就比较容易滋生,家具被腐蚀后就不能使用,为此出现很多防止真菌腐蚀的研究,有些代价比较高,比如涂一些保护层。

但孙建国打算反其道而行之,他认为,与其花精力去预防这种现象,不如去思考这种现象中是否有可以利用的地方,也就是变废为宝。

研究中,他发现使用特定真菌去腐蚀木材之后,木材会呈现出类似海绵的力学行为,就像弹簧似的用手压木材,木材虽然因为挤压而变形,但很快就能恢复原状,与此同时还可产生电能。

虽然我们初中物理课上被告知,木材是绝缘体。但是导电和产生电是两回事,很多绝缘材料,都会像木材一样因为独特的晶体结构而具有一定的压电效应,比如水晶。通俗来讲,压电效应就是你给物体一个压力,它就会产生一点形变,随后就会产生电荷,而木材刚好就有这种压电效应。

木质能量转化器本身主要由木材组成,木材在压电效应中产生的电荷,主要产生在被按压的表面上,因此要在上面安装两片电极,如果想利用这种电荷就要导出来,然后分别再用两根导线连出去即可。

由于木材是天然材料,加上本次使用的是常见树种,因此无论是合成设备、制备工艺还是合成材料,成本都非常低且极为环保。

使用同样的方法,去处理大片木材,这些木材就可组成木地板,用在家庭、运动场、酒吧等人群聚居地,人们走上去就能产生电流。

孙建国曾做过粗略计算,以 100 人的场所为例,如果铺设这种木地板,每秒钟大约可产生将近一万伏电压,这些电存起来就能给手机等充电。

克服较低电能输出,可帮助大规模推广

不过,孙建国也表示,这种可发电的木材,距离实际的大规模应用仍有很多瓶颈需要克服。即使较大面积的木材,能产生更高的电压电流,大的阻抗和不平衡的负载匹配还是很难直接驱动大型的电子设备,因此需要有效的电源管理。

除此以外,如果想把发电木材做大,无论是真菌培养时间、还是装载木材的设备都给实验室提出了更高要求。

并且,单位面积下木材能够产生的电压电流输出,相比其他的压电材料还是比较微弱,因此需要更进一步开发和研究来提升其性能,目前只可以给常见供电方式提供补充。

在寿命上,孙建国告诉 DeepTech,处理后的木材,基本和家用木地板的寿命差不多,大约在十年左右,在干燥少虫少真菌的环境中,寿命会更长。

木材的碳足迹,比混凝土以及钢结构的要低,自然也更环保。作为一种地球上最丰富的可再生自然资源之一,它的成本也比较低廉。此外,木材美观的外表、坚固且轻巧、易于使用等特性,也使得其被作为建筑材料被使用了许多年。

概括来说,孙建国和他所在的由伯格特教授领导的瑞士研究团队一次又一次地证明了 “木材不仅仅是一种建筑材料”。

例如,他们已经开发出高强度、可防水、可磁化的木材。最近,该团队还与瑞士联邦材料科学与技术实验室研究小组一起,又开发出了一种简单、环保的方法,该方法可以从一种木制海绵中发电的工艺,为木头的研究领域提供了新的发展方向,这一成果也于近期在 Science Advances 上进行了报道。

孙建国今年 30 岁,本科就读于郑州大学材料系,主修材料成型与控制。他的求学经历并非一帆风顺,因为材料成型更注重实际运用,而他对创意的想法构建更感兴趣,他曾打算在郑州大学本科毕业后,跨专业读一个工业设计的硕士。

因为没有绘画功底,他去北京参加了一个训练营,训练期间虽然每天凌晨两点才睡、六点就起床,交上去的作业始终不如人意,后来他认真思考,觉得与其把步子迈太大,突然涉及一个完全陌生的领域,不如依然在材料专业中探索一个想法和理论创新空间都比较大的方向,便从材料成型转到了纳米材料方向。

于是,硕士来到台湾清华大学继续就读材料系,主修纳米材料方向,并师从台湾清华大学的前任校长陈力俊院士。

后申请到全额奖学金,来到爱因斯坦的母校苏黎世联邦理工学院读博。读博期间,课题组主要研究方向是木头,而他发现木头竟有微弱的压电效应,这正好能将自己之前的学术背景和该组的主要研究方向联系起来,从而在木材领域和发电机领域都能贡献一些有用的输出。

据他介绍,苏黎世联邦理工学院是闻名全球的世界顶尖研究型大学,位列 2021QS 世界大学排名第 6 位,曾有 32 位诺贝尔奖得主在此学习工作。谈及未来,他表示,首先希望能在今年夏天顺利地通过答辩,拿到博士学位。

他告诉 DeepTech,由于建筑物约占全球能耗的 40%,约占全球温室气体排放量的四分之一,提高建筑能效将在满足未来能源和气候目标方面,起着越来越重要的作用。

他认为除了被动减少能源消耗外,让建筑本身积极地产生电能也至关重要。因此,他将致力于通过改性原始建筑材料(例如木材)从而让它们实现自我供电,提高建筑能效甚至最终改善气候环境。

博士毕业后,他说自己会考虑在苏黎世联邦理工学院再做一段时间的博后,积累更多的研究经验,再回归祖国投身高校,继续做木材发电机的相关科研工作。

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