Швейцарські матеріалознавці посилили п'єзоелектричний ефект деревини в 55 разів за допомогою грибів. Гриби розчиняють лігнін, що входить до складу деревини, і збільшують стисканість деревини. Якщо зробити з такого матеріалу підлогове покриття, воно буде виробляти електроенергію під вагою кроків людини. Результати дослідження опубліковані в журналі.
Деревина складається з волокон полімерів целюлози і геміцелюлози в матриці лігніна. Целюлоза у складі деревини може бути аморфною і кристалічною. Наявність останньої робить деревину п'єзоелектриком - матеріалом, в якому під дією деформації виникають електричні заряди. При стисненні кристалів целюлози центри тяжкості позитивних і негативних зарядів розходяться в просторі, і для дотримання електростатичної рівноваги на поверхні кристаліту виникають заряди. Про п'єзоелектричні властивості деревини відомо з п'ятдесятих років, але комерційні матеріали та пристрої для отримання електрики з неї ніхто не робив - через низький п'єзоелектричний модуль і деформованість деревини це вважалося нерентабельним.
Посилити п'єзоелектричні властивості деревини зуміли швейцарські вчені під керівництвом Інго Бюргерта (Ingo Burgert) зі Швейцарської вищої технічної школи Цюріха. Бюргерт і його колеги вже давно вміють змінювати властивості деревини і отримувати на її основі різні функціональні матеріали. Наприклад, минулого року вони перетворили бальзове дерево на матеріал, що світиться, розчинивши лігнін і замінивши його на розчин люмінесцентних квантових точок. Щоб зробити деревину хорошим п'єзоелектриком, теж потрібно розчинити лігнін, тоді деревина стане більш пухкою, і її буде простіше деформувати. Для того щоб провести розчинення м'яко, не пошкодивши целюлозний каркас, Бюргерт і його колеги запропонували несподіване рішення - обробили деревину грибами відділу базидіоміцетів.
За основу матеріалу вчені знову взяли легку деревину бальзового дерева () з щільністю 94,8 кілограма на кубічний метр. Для розчинення лігнину використовували три види грибів: в. о. Деревину різали на тонкі платівки, сушили при температурі 100 градусів протягом доби, наносили на поверхню свіжоприготовлену культуру грибів і залишали у вологій атмосфері на термін від 4 до 12 тижнів. Щоб контролювати, скільки лігнину встигли поглинути гриби, зразки деревини ретельно очищали і знову сушили протягом доби, а потім зважували. Найшвидшу втрату лігніна забезпечили гриби. Оптимальним часом обробки Бюргерт і його колеги порахували вісім тижнів (що відповідає втраті маси в 45 відсотків в основному за рахунок лігніна) - при більш тривалій обробці деревина ставала занадто пухкою і істотно втрачала в міцності. Метод Фур'є-ІК-спектроскопії підтвердив що гриби переважно поглинають лігнін, також спостерігалася невелика втрата геміцеллюлози. А ось целюлозний каркас деревини залишався після обробки практично незмінним - це було добре видно не тільки на ВК-спектрах, але і на знімках скануючої електронної мікроскопії.
Як і припускали автори роботи, позбавлена лігнина деревина мала кращу стисканість. У результаті зміщення центрів тяжкості заряду в кристалитах целюлози відбувалося з більшою амплітудою, і п'єзоелектричний ефект теж посилився. Кубик обробленої деревини розміром 15 х 15 − 13,2 міліметрів генерував напругу в 0,87 вольту і силу струму в 13,3 наноампера. Це в п'ятдесят п'ять разів більше, ніж у немодифікованої деревини в тих же умовах. Поєднавши дев'ять таких кубиків послідовно, автори отримали електроенергію, достатню для живлення світловипромінювального діоду.
З нового матеріалу автори пропонують зробити підлогове покриття, яке вироблятиме електроенергію під вагою кроків людини. Таке покриття можна буде помістити в будинках літніх людей і живити від нього датчики, які активуються, якщо людина впала. Є й більш екзотичні ідеї щодо використання п'єзоелектричних деревних полів у приміщеннях для занять танцями та аеробікою. Зазначимо, що поки Бюргерт і його колеги отримали п'єзоелектрик тільки з бальзової деревини - легкої і з великою кількістю пір. Надалі вони збираються адаптувати метод для більш щільних і важких видів деревини.
Перетворювати традиційні будівельні матеріали на пристрої для отримання і зберігання енергії вміють не тільки швейцарські вчені. Наприклад, влітку ми писали про конденсаторів з цеглин. Звичайні червоні цеглини являють собою дуже зручну матрицю для отримання плівок проведеного полімеру PEDOT, в яких можна запасати електроенергію. Міцність цеглин після обробки не змінюється, тому їх можна використовувати в будівництві.