用木头发电的博士

木头也能发电？人类在几十年前就有这种想法，但直到2021年，来自中国江苏的30岁学者孙建国终于实现了这一想法。

20世纪四五十年代，人们发现木材中存在压电效应。通过对木材施加一定的应力，可以在其表面获得相应的电荷，即机械能可以直接转化为电能。

不幸的是，木材中的这种压电效应非常弱，远远低于其他压电材料，如应时。极其微弱的电荷输出一直堵塞着木材的电能供应之路。

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。

几十年后，瑞士苏黎世联邦理工学院博士生孙建国通过改变木材的内部结构，使其压电输出增加了55倍，打破了一直以来制约木材压电性能发展的瓶颈。而且，解决方法非常奇怪——故意腐烂木头。

最近发表了相关论文《选择性腐木增强机械能转化》。

木材腐烂的具体过程是将木材放入培养皿中，培养皿中有一些白腐真菌，环境会被设定为适合白腐真菌生存的条件，如高湿度、暗光等。

密封在培养皿中的木材，经过不同的孵育时间，会有不同程度的失重，而这种失重主要来自真菌吃掉的木质素。

在研究中，孙建国通过考察木材经过不同腐蚀时间后的各种性质，如失重、压缩性等，确定了适合本研究的实验条件，最终得到了最适合的样品。

据报道，木材主要由木质素、纤维素和半纤维素组成，其中纤维素就像木材的骨架，可以起到支撑作用，木材的压电性能主要是由于纤维素结晶区的变形；木质素起到纤维之间的粘合和强化作用，感觉有点像胶水。

由于原木材的变形能力较弱，结晶纤维素的变形在较小的压力下几乎看不见，因此其产生的电荷也较弱。如果施加很大的力，木头就会损坏。

孙建国的目的是打破木材原有的结构，使其具有良好的变形能力和恢复能力的新结构。在这个过程中，必须通过干预去除木质素，他采用的生物方法比化学方法更加绿色环保，这也是这项研究的一大创新。

六周后，就可以制造出具有高压缩性的木材。对其施加一定的压力，可以使纤维产生较大的变形，木材表面会释放出更多的电能。

随后，孙建国将9块腐朽的木头放在一起，粘贴导电铜箔收集产生的电荷，最后用木皮覆盖电极进行保护。于是，一个木头能量转换器诞生了，用手敲击木头表面，成功点亮了一盏LED灯，迈出了木头利用压电效应为生命供电的第一步。

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。

用这种方法制备的朽木，仅用边长15毫米的朽木立方体就能产生0.85伏的电压。如果增加它的面积，可以做成大面积的供电木地板，不仅可以给家庭的一些微型电器供电，还可以作为防止老人跌倒的传感器。但目前这项技术只适用于巴沙木，因为它们的密度很低，细胞壁很薄。

“反其道而行之”研究

因为木材腐蚀是一直存在的，比如家里买的木质家具，总会让人担心腐蚀。一旦遇到寒冷潮湿的气候，真菌更容易滋生，家具被腐蚀后无法使用。所以防止真菌腐蚀的研究很多，有些比较贵，比如涂一些保护层。

但孙建国打算反其道而行之。他认为，与其花精力去阻止这种现象，不如想想这种现象中有没有可以利用的东西，那就是变废为宝。

他在研究中发现，用特定的真菌腐蚀木材后，木材会表现出类似海绵的力学行为，就像用手按压木材的弹簧。木头虽然被挤压变形了，但很快就会恢复原状，同时还能发电。

虽然初中物理课上我们被告知木头是绝缘体。但是导电和发电是两回事。很多绝缘材料，像木材，由于其独特的晶体结构，具有一定的压电效应，比如水晶。一般来说，压电效应是指当你对一个物体施加压力时，它会产生一点点变形，然后就会产生电荷，而木材恰恰具有这种压电效应。

木质能量转换器本身主要由木材构成，木材的压电效应产生的电荷主要产生在受压表面，所以要在上面安装两个电极。如果你想利用这种电荷，你应该推导出它，然后分别用两根导线连接起来。

因为木材是天然材料，这次使用的是常见树种，所以合成设备、制备工艺、合成材料的成本都很低，极其环保。

用同样的方法处理大块的木头，可以形成木地板，可以用在家里、运动场、酒吧等人多的地方，人走上去也能发电。

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。

孙建国粗略算了一下。以一个100人的地方为例。如果铺设这种木地板，每秒可以产生近万伏的电压，储存起来可以给手机等充电。

克服低功率输出有助于大规模推广。

不过，孙建国也表示，在这种可以发电的木材实际大规模应用之前，还有很多瓶颈需要克服。即使大面积的木材也能产生较高的电压和电流，很难直接驱动阻抗大、负载匹配不平衡的大型电子设备，因此需要有效的电源管理。

另外，如果要把发电木做大，无论是菌类培养时间，还是装木的设备，都对实验室提出了更高的要求。

而且木材单位面积产生的电压和电流输出与其他压电材料相比仍然较弱，需要进一步开发和研究以提高其性能。目前只能作为常用供电方式的补充。

在寿命方面，孙建国表示，处理过的木材寿命与国产木地板基本相同，大约十年左右，在干燥、少虫少菌的环境下寿命会更长。

木材的碳足迹低于混凝土和钢结构，自然更环保。作为地球上最丰富的可再生自然资源之一，其成本相对较低。此外，木材因其美观、坚固、轻便和易于使用，多年来一直被用作建筑材料。

综上所述，孙建国和他的由Berget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，他们开发了高强度、防水和可磁化的木材。最近，这个团队与瑞士联邦材料科学与技术实验室的研究小组一起，开发了一种简单环保的方法，可以从一种木质海绵中发电，为木材的研究领域提供了新的发展方向。最近科学进展也报道了这一成就。

孙建国今年30岁，郑州大学材料成型及控制专业。他的学术经历并不是一帆风顺的，因为材料成型更注重实际应用，他更感兴趣的是创意的构建。他曾计划从郑州大学毕业后攻读工业设计硕士学位。

因为没有绘画功底，他去北京参加了一个训练营。训练期间，虽然每天凌晨两点睡觉，六点起床，但交的作业总是不尽人意。后来他认真的想，与其迈太大的一步，突然涉及一个完全陌生的领域，不如还是在材料专业的理论创新空之间探索一个思路，一个比较大的方向，然后他就从材料成型转到了纳米材料。

于是，我的硕士来到台湾省清华大学材料系继续深造，主修纳米材料，师从台湾省清华大学前校长陈立军院士。

申请全额奖学金后，我去了爱因斯坦的母校苏黎世联邦理工学院读博。在他读博期间，课题组的主要研究方向是木材，但他发现木材其实具有微弱的压电效应，这正好将他之前的学术背景与课题组的主要研究方向联系起来，从而在木材和发电机领域贡献了一些有用的产出。

据他介绍，苏黎世联邦理工学院是世界著名的顶尖研究型大学，在2021QS世界大学中排名第6，32位诺贝尔奖获得者在此学习和工作。谈及未来，他说，首先，他希望能在今年夏天顺利通过答辩，拿到博士学位。

他说，由于建筑占全球能源消耗的约40%，占全球温室气体排放的约四分之一，提高建筑能效将在实现未来能源和气候目标方面发挥越来越重要的作用。

他认为，除了被动降低能耗，建筑本身主动发电也是必不可少的。因此，他将致力于通过改造原有的建筑材料(如木材)来提高建筑能效，甚至改善气候环境，使其能够自我供电。

博士毕业后，他表示会考虑在苏黎世联邦理工学院再做一段时间博士后，积累更多的研究经验，然后回到祖国加入高校，继续做木材发电机相关的研究工作。