真菌腐化木材以增强压电效应，用于绿色建筑能量收集
2021-03-13 19:45:45 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员通过一种真菌腐化木材使其软化，可以增强木材的压电效应来收集能量进行发电。在他们发表在Science Advances杂志上的论文中，研究小组介绍了他们的开发过程以及测试结果。
据麦姆斯咨询报道，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）和瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）的一支联合研究小组发现，通过一种真菌腐化木材使其软化，可以增强木材的压电效应来收集能量进行发电。在他们发表在Science Advances杂志上的论文中，研究小组介绍了他们的开发过程以及测试结果。
全球都在努力发展更清洁的能源生产系统，科学家们正在寻找新的发电方法。一种可行的方案是利用压电器件，通过收集脚步等运动的机械能来产生电能。研究人员注意到当人们四处走动时，很多能量被浪费了。此前，有研究尝试利用为鞋子或腿部设计某种装置来利用其中的一些能量。在这项新研究中，研究人员换了个角度，他们探索了是否可以在地板上增强压电效应来收集能量。
木材是一种传统的建筑材料，由于其显著的可持续性、可再生性和可作为二氧化碳储存资源的优势，其用途日益扩大。除此之外，木材甚至还可以开发用于建筑发电。木材细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。而纤维素由无定形和结晶区组成。
真菌处理后木材结构的演变，第二行展示了木材的压电效应原理
木材的压电效应源自具有一定结晶区的纤维素木材介质，在压力或机械振动等作用下的应变所引发的电荷定向集聚，主要发生于纤维素的结晶区。最早由E. Fukada等人在1955年报道了对木材压电效应的研究。不过，由于较低的压电模量以及木材本身有限的可压缩变形性，阻碍了木材用于能量收集的进展。
在研究用于制造地板尤其是家庭地板的木材种类时，联合研究小组发现，作为能量收集系统的必要组成部分，地板并没有太多的可压缩性。为了解决这个问题，他们发现将一种白腐真菌涂在巴尔沙木片上，经过数周的时间能有效地加速木片的腐化过程，部分去除木材中的木质素和半纤维素，从而得到具有增强可压缩性的生物改性木材。当踩在木头上时，研究人员能感觉到它被压缩了，而当压力消除后，木片还可以恢复到原来的形状。
真菌处理前后木材的机械性能
在最近的一项研究中，研究人员发现脱木质素处理可以增强木材的变形能力，从而增强压电输出。通过应用这种高度可持续的方法，可以制造出一种压电效应提高55倍的高效木材能量收集器。这项研究成果为理解木材压电性能并为其发展应用打开了大门。这种绿色、生物相容、可生物降解且成本效益高的真菌处理木材，或能成为未来可持续绿色建筑中有用的点能量源。
利用真菌处理过的木片在住宅模型中为商用LED供电
为了验证他们最初的设想，研究人员用这种真菌处理过的木片进行了实验，在木片上构建了一套压电装置，通过一根连接在LED灯上的电线传送产生的电能。然后把木头放在地板上，人们可以在上面“行走”。实验测得，这种真菌处理的木材立方体（15 mm x 15 mm x 13.2 mm）在45 kPa应力下，能产生0.87 V的最大电压和13.3 nA的电流。当有人在上面“走过”，LED灯就会点亮。研究人员注意到，虽然产生的电量只有0.87 V，但是，这个系统可以很容易地扩大到覆盖家庭所有的地板，产生足够的电能，或许就能为部分电器供电。
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