Грибы превратят деревянный пол в пьезогенератор
Швейцарские материаловеды усилили пьезоэлектрический эффект древесины в 55 раз с помощью грибов. Грибы растворяют входящий в состав древесины лигнин и увеличивают сжимаемость древесины. Если сделать из такого материала напольное покрытие, оно будет производить электроэнергию под тяжестью шагов человека. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Древесина состоит из волокон полимеров целлюлозы и гемицеллюлозы в матрице лигнина. Целлюлоза в составе древесины может быть аморфной и кристаллической. Наличие последней делает древесину пьезоэлектриком — материалом, в котором под действием деформации возникают электрические заряды. При сжатии кристаллитов целлюлозы центры тяжести положительных и отрицательных зарядов расходятся в пространстве, и для соблюдения электростатического равновесия на поверхности кристаллита возникают заряды. О пьезоэлектрических свойствах древесины известно с пятидесятых годов, но коммерческие материалы и устройства для получения электричества из нее никто не делал — из-за низкого пьезоэлектрического модуля и деформируемости древесины это считалось нерентабельным.
Усилить пьезоэлектрические свойства древесины сумели швейцарские ученые под руководством Инго Бюргерта (Ingo Burgert) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Бюргерт и его коллеги уже давно умеют менять свойства древесины и получать на ее основе различные функциональные материалы. Например, в прошлом году они превратили бальзовое дерево в светящийся материал, растворив лигнин и заменив его на раствор люминесцентных квантовых точек. Чтобы сделать древесину хорошим пьезоэлектриком, тоже нужно растворить лигнин, тогда древесина станет более рыхлой, и ее будет проще деформировать. Для того чтобы провести растворение мягко, не повредив целлюлозный каркас, Бюргерт и его коллеги предложили неожиданное решение — обработали древесину грибами отдела базидиомицетов.
За основу материала ученые вновь взяли легкую древесину бальзового дерева (Ochroma pyramidale) с плотностью 94,8 килограмма на кубический метр. Для растворения лигнина использовали три вида грибов: Phanerochaete chrysosporium, Ganoderma adspersum, и Ganoderma applanatum. Древесину резали на тонкие пластинки, сушили при температуре 100 градусов в течение суток, наносили на поверхность свежеприготовленную культуру грибов и оставляли во влажной атмосфере на срок от 4 до 12 недель. Чтобы контролировать, сколько лигнина успели поглотить грибы, образцы древесины тщательно очищали и вновь сушили в течение суток, а затем взвешивали. Самую быструю потерю лигнина обеспечили грибы Ganoderma applanatum. Оптимальным временем обработки Бюргерт и его коллеги посчитали восемь недель (что соответствует потере массы в 45 процентов в основном за счет лигнина) — при более длительной обработке древесина становилась слишком рыхлой и существенно теряла в прочности. Метод Фурье-ИК-спектроскопии подтвердил что грибы преимущественно поглощают лигнин, также наблюдалась небольшая потеря гемицеллюлозы. А вот целлюлозный каркас древесины оставался после обработки практически неизменным — это было хорошо видно не только на ИК-спектрах, но и на снимках сканирующей электронной микроскопии.
Как и предполагали авторы работы, лишенная лигнина древесина имела лучшую сжимаемость. В результате смещение центров тяжести заряда в кристаллитах целлюлозы происходило с большей амплитудой, и пьезоэлектрический эффект тоже усилился. Кубик обработанной древесины размером 15 х 15 × 13,2 миллиметров генерировал напряжение в 0,87 вольта и силу тока в 13,3 наноампера. Это в пятьдесят пять раз больше, чем у немодифицированной древесины в тех же условиях. Соединив девять таких кубиков последовательно, авторы получили электроэнергию, достаточную для питания светоизлучающего диода.
Из нового материала авторы предлагают сделать напольное покрытие, которое будет производить электроэнергию под тяжестью шагов человека. Такое покрытие можно будет поместить в домах пожилых людей и питать от него датчики, которые активируются, если человек упал. Есть и более экзотические идеи по использованию пьезоэлектрических древесных полов в помещениях для занятий танцами и аэробикой. Отметим, что пока Бюргерт и его коллеги получили пьезоэлектрик только из бальзовой древесины — легкой и с большим количеством пор. В дальнейшем они собираются адаптировать метод для более плотных и тяжелых видов древесины.
Превращать традиционные строительные материалы в устройства для получения и хранения энергии умеют не только швейцарские ученые. Например, летом мы писали о конденсаторах из кирпичей. Обыкновенные красные кирпичи представляют собой очень удобную матрицу для получения пленок проводящего полимера PEDOT, в которых можно запасать электроэнергию. Прочность кирпичей после обработки не меняется, поэтому их можно использовать в строительстве.
Наталия Самойлова
Материаловеды выяснили, как соли муравьиной кислоты улучшают эффективность и стабильность солнечных элементов. Оказалось, ионы формиата заполняют вакансии иода на границе перовскитных кристаллов, а также замедляют скорость кристаллизации перовскита, поэтому вместо множества мелких кристаллитов формируются один крупный. Полученные солнечные элементы продемонстрировали эффективность в 25, 6 процента. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Эффективность солнечных элементов на основе смешанных свинцово-галогенидных перовскитов всего за десять лет увеличилась с 3,8 до 25,5 процента. Такие солнечные элементы дешевы и просты в получении, а еще их можно делать полупрозрачными и использовать в качестве верхней части тандемного солнечного элемента. Чаще всего в солнечных элементах используют перовскиты состава MAx(FA)1-хPbI3, где MA и FA — органические однозарядные катионы метиламмония и формамидиния. Для повышения стабильности и эффективности часть метиламмония заменяют на цезий, а часть иода — на хлор и бром. С недавних пор ученые стали добавлять в перовскитную решетку еще и анионы формиатов (солей муравьиной кислоты), которые стабилизируют перовскиты даже лучше, чем анионы хлора и брома — например, в феврале мы писали о работе китайских химиков, которые смогли с помощью муравьиной кислоты вырастить рекордно большие монокристаллы для фотодетектора. Но четкого понимания механизма происходящих процессов у ученых до сих пор не было. В одних работах писали, что формиат помогает контролировать рост перовскитных кристаллов, в других — что главная причина в предотвращении фазовой сегрегации (разделении разных подтипов катионов и анионов в пространстве, в результате чего перовскитная пленка становится неоднородной). Разобраться в вопросе смогли китайские, шведские, корейские и швейцарские ученые под руководством Майкла Гретцеля (Michael Grätzel) из Федеральной Политехнической Школы Лозанны и Джин Йонга Кима (Jin Young Kim) из Ульсанского Национального Института Науки и Технологии. Они работали с перовскитом состава FAPbI3, в который добавляли от одного до пяти мольных процентов формиата формамидиния FAHCOO. На снимках сканирующей электронной микроскопии видно, что добавки формиата помогают получить перовскитные кристаллиты большего размера — до двух микрометров. Метод рентгеновской дифракции подтвердил, что пленки с формиатом имеют лучшую кристалличность — то есть процент аморфного перовскита в них ниже. Кроме того в пленках с формиатом полностью отсутствовала фаза δ-FAPbI3, в которую основная фаза, α- FAPbI3, постепенно превращается под действием следов влаги. Перовскит δ-FAPbI3 не фотоактивен, поэтому чем ниже его содержание в пленке, тем лучше для будущего солнечного элемента. Самые качественные пленки получились с добавками двух мольных процентов формиата. При более высоких концентрациях формиата кристаллиты перовскита становились разупорядоченными.