木頭也能發(fā)電？幾十年前人類就有此暢想，但直到2021年，來自中國江蘇的30歲學(xué)者孫建國終于將其實(shí)現(xiàn)。

20世紀(jì)四五十年代，人們就發(fā)現(xiàn)木材中具有壓電效應(yīng)，對木材施加一定的應(yīng)力便可在其表面獲得相應(yīng)的電荷，也就是直接把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

比較可惜的是，木材里的這種壓電效應(yīng)十分微弱，遠(yuǎn)低于石英等其他壓電材料。極其微弱的電荷輸出，使得木材的電能供應(yīng)之路一直受阻。

幾十年后，目前就讀于瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的博士生孫建國， 通過調(diào)整木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 讓其壓電輸出提高55倍， 打破了一直以來限制木材壓電性能發(fā)展的瓶頸， 而且解決方法也很奇特 —— 故意腐爛木頭。

近日， 相關(guān)論文《選擇性腐爛的木材增強(qiáng)了機(jī)械能轉(zhuǎn)換》已刊出。

腐爛木頭的具體流程，是把木材放到培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿中放有一些白腐菌，環(huán)境也會(huì)設(shè)置成適合白腐菌生存的條件，比如濕度要比較高、光線要比較暗。

被密封在培養(yǎng)皿中的木材，經(jīng)過不同的培養(yǎng)時(shí)間后，其重量會(huì)有不同程度的損失，而這種損失主要源于被真菌吃掉的木質(zhì)素。

研究中，孫建國通過檢驗(yàn)不同腐蝕時(shí)間后木材的各項(xiàng)性能， 比如重量損失和可壓縮性來確定適合本研究的實(shí)驗(yàn)條件，最終獲得了最適宜的樣品。

據(jù)悉，木材主要由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素構(gòu)成，其中纖維素好比木材的骨架，可起到支撐作用，而木材的壓電性主要源于纖維素結(jié)晶區(qū)的形變;木質(zhì)素則起到纖維間的粘結(jié)和加固的作用， 有一點(diǎn)類似膠水的感覺。

由于原始木材的形變能力較弱，在較小的壓力下，結(jié)晶纖維素的形變幾不可見，因此其產(chǎn)生的電荷也較為微弱。若是施加較大的力，又會(huì)損毀木材。

孫建國的目的是要打散木材原有的結(jié)構(gòu)，使其變成一種形變能力和回彈性都比較好的新型結(jié)構(gòu)，而這個(gè)過程則必須先使用干預(yù)手段除掉木質(zhì)素，其中他使用的生物方法相比化學(xué)方法更加綠色環(huán)保，這也是本次研究的較大創(chuàng)新之處。

經(jīng)過六周后，具有高壓縮性的木材即可被制造出來，通過給其施加一定的壓力，纖維可發(fā)生較大形變，木材的表面也會(huì)釋放更多的電能。

隨后，孫建國把9塊腐朽木材放在一起，貼上導(dǎo)電銅箔來收集產(chǎn)生的電荷，最后在電極上面蓋有木質(zhì)貼面進(jìn)行保護(hù)，一個(gè)木材能源轉(zhuǎn)換器就這樣誕生了，并通過用手擊打木材表面，成功點(diǎn)亮了一顆LED燈，邁出了木材利用壓電效應(yīng)為生活供電的第一步。

用這種方法制備的腐爛木材，僅使用邊長15毫米的腐爛木材立方塊就可產(chǎn)生0.85V的電壓。若是增加其面積，就能制作出大型的供電木地板，不僅可為家庭進(jìn)行一些微型電器的供電，還可作為預(yù)防老人跌倒的傳感器。不過，該技術(shù)目前僅適用于巴沙木，因?yàn)樗鼈兊拿芏确浅５?、?xì)胞壁也非常薄。

“反其道而 我們行推之薦”的研究

因?yàn)槟静母g一直都存在，比如買回家的木材家具，總會(huì)讓人擔(dān)心腐蝕，一旦遇到陰冷潮濕的氣候，菌類就比較容易滋生，家具被腐蝕后就不能使用，為此出現(xiàn)很多防止真菌腐蝕的研究，有些代價(jià)比較高，比如涂一些保護(hù)層。

但孫建國打算反其道而行之， 他認(rèn)為，與其花精力去預(yù)防這種現(xiàn)象，不如去思考這種現(xiàn)象中是否有可以利用的地方，也就是變廢為寶。

研究中，他發(fā)現(xiàn)使用特定真菌去腐蝕木材之后，木材會(huì)呈現(xiàn)出類似海綿的力學(xué)行為，就像彈簧似的用手壓木材，木材雖然因?yàn)閿D壓而變形， 但很快就能恢復(fù)原狀，與此同時(shí)還可產(chǎn)生電能。

雖然我們初中物理課上被告知，木材是絕緣體。但是導(dǎo)電和產(chǎn)生電是兩回事，很多絕緣材料，都會(huì)像木材一樣因?yàn)楠?dú)特的晶體結(jié)構(gòu)而具有一定的壓電效應(yīng)，比如水晶。通俗來講，壓電效應(yīng)就是你給物體一個(gè)壓力，它就會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)形變，隨后就會(huì)產(chǎn)生電荷，而木材剛好就有這種壓電效應(yīng)。

木質(zhì)能量轉(zhuǎn)化器本身主要由木材組成，木材在壓電效應(yīng)中產(chǎn)生的電荷，主要產(chǎn)生在被按壓的表面上，因此要在上面安裝兩片電極，如果想利用這種電荷就要導(dǎo)出來， 然后分別再用兩根導(dǎo)線連出去即可。

由于木材是天然材料，加上本次使用的是常見樹種，因此無論是合成設(shè)備、制備工藝還是合成材料，成本都非常低且極為環(huán)保。

使用同樣的方法，去處理大片木材，這些木材就可組成木地板，用在家庭、運(yùn)動(dòng)場、酒吧等人群聚居地，人們走上去就能產(chǎn)生電流。

孫建國曾做過粗略計(jì)算，以100人的場所為例，如果鋪設(shè)這種木地板，每秒鐘大約可產(chǎn)生將近一萬伏電壓，這些電存起來就能給手機(jī)等充電。

克服較低電能輸出，可幫助大規(guī)模推廣

不過，孫建國也表示，這種可發(fā)電的木材，距離實(shí)際的大規(guī)模應(yīng)用仍有很多瓶頸需要克服。即使較大面積的木材，能產(chǎn)生更高的電壓電流，大的阻抗和不平衡的負(fù)載匹配還是很難直接驅(qū)動(dòng)大型的電子設(shè)備，因此需要有效的電源管理。

除此以外， 如果想把發(fā)電木材做大，無論是真菌培養(yǎng)時(shí)間、還是裝載木材的設(shè)備都給實(shí)驗(yàn)室提出了更高要求。

并且，單位面積下木材能夠產(chǎn)生的電壓電流輸出，相比其他的壓電材料還是比較微弱，因此需要更進(jìn)一步開發(fā)和研究來提升其性能，目前只可以給常見供電方式提供補(bǔ)充。

在壽命上，孫建國表示，處理后的木材， 基本和家用木地板的壽命差不多，大約在十年左右，在干燥少蟲少真菌的環(huán)境中，壽命會(huì)更長。

木材的碳足跡，比混凝土以及鋼結(jié)構(gòu)的要低，自然也更環(huán)保。作為一種地球上最豐富的可再生自然資源之一，它的成本也比較低廉。此外， 木材美觀的外表、堅(jiān)固且輕巧、易于使用等特性，也使得其被作為建筑材料被使用了許多年。

概括來說，孫建國和他所在的由伯格特教授領(lǐng)導(dǎo)的瑞士研究團(tuán)隊(duì)一次又一次地證明了“木材不僅僅是一種建筑材料”。

例如， 他們已經(jīng)開發(fā)出高強(qiáng)度、可防水、可磁化的木材。最近，該團(tuán)隊(duì)還與瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究小組一起，又開發(fā)出了一種簡單、環(huán)保的方法，該方法可以從一種木制海綿中發(fā)電的工藝，為木頭的研究領(lǐng)域提供了新的發(fā)展方向，這一成果也于近期在Science Advances上進(jìn)行了報(bào)道。

孫建國今年30歲，本科就讀于鄭州大學(xué)材料系，主修材料成型與控制。他的求學(xué)經(jīng)歷并非一帆風(fēng)順，因?yàn)椴牧铣尚透⒅貙?shí)際運(yùn)用，而他對創(chuàng)意的想法構(gòu)建更感興趣，他曾打算在鄭州大學(xué)本科畢業(yè)后，跨專業(yè)讀一個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)的碩士。

因?yàn)闆]有繪畫功底，他去北京參加了一個(gè)訓(xùn)練營， 訓(xùn)練期間雖然每天凌晨兩點(diǎn)才睡、六點(diǎn)就起床，交上去的作業(yè)始終不如人意，后來他認(rèn)真思考，覺得與其把步子邁太大，突然涉及一個(gè)完全陌生的領(lǐng)域，不如依然在材料專業(yè)中探索一個(gè)想法和理論創(chuàng)新空間都比較大的方向，便從材料成型轉(zhuǎn)到了納米材料方向。

于是，碩士來到臺(tái)灣清華大學(xué)繼續(xù)就讀材料系，主修納米材料方向，并師從臺(tái)灣清華大學(xué)的前任校長陳力俊院士。

后申請到全額獎(jiǎng)學(xué)金，來到愛因斯坦的母校蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院讀博。讀博期間，課題組主要研究方向是木頭，而他發(fā)現(xiàn)木頭竟有微弱的壓電效應(yīng)，這正好能將自己之前的學(xué)術(shù)背景和該組的主要研究方向聯(lián)系起來，從而在木材領(lǐng)域和發(fā)電機(jī)領(lǐng)域都能貢獻(xiàn)一些有用的輸出。

據(jù)他介紹，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院是聞名全球的世界頂尖研究型大學(xué)，位列2021QS世界大學(xué)排名第6位，曾有32位諾貝爾獎(jiǎng)得主在此學(xué)習(xí)工作。談及未來，他表示，首先希望能在今年夏天順利地通過答辯，拿到博士學(xué)位。

他表示， 由于建筑物約占全球能耗的40% ，約占全球溫室氣體排放量的四分之一，提高建筑能效將在滿足未來能源和氣候目標(biāo)方面，起著越來越重要的作用。

他認(rèn)為除了被動(dòng)減少能源消耗外，讓建筑本身積極地產(chǎn)生電能也至關(guān)重要。因此，他將致力于通過改性原始建筑材料（例如木材）從而讓它們實(shí)現(xiàn)自我供電，提高建筑能效甚至最終改善氣候環(huán)境。

博士畢業(yè)后，他說自己會(huì)考慮在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院再做一段時(shí)間的博士后，積累更多的研究經(jīng)驗(yàn)，再回歸祖國投身高校，繼續(xù)做木材發(fā)電機(jī)的相關(guān)科研工作。