- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -

Супердерево прочнее стали

Рис. 1. Огнеупорное сверхпрочное дерево можно использовать в строительстве

Рис. 1. Огнеупорное сверхпрочное дерево можно использовать в строительстве

Человек всегда работал с деревом, это естественный и привычный материал для инструментов, мебели, посуды, жилища и т. д. Полмиллиона лет назад люди смастерили первые деревянные инструменты [1], и лишь значительно позже начали использовать металл и пластик.

Может, пришло время вернуться к истокам, только на новом технологическом уровне?

В наше время инженеры получают сверхпрочную уплотнённую древесину [2], которую можно использовать в строительстве или бронежилетах. Кроме того, из дерева делают дешёвые органические солнечные элементы [3] и накопители солнечного тепла [4] в энергетике.

Сверхпрочная древесина

Американская компания InventWood [5] недавно выпустила коммерческую первую партию так называемого «супердерева» (торговая марка Superwood), которое по прочности превосходит большинство металлов и металлических сплавов. Результаты экспериментов по уплотнению древесины инженеры опубликовали [6]в журнале Nature.

На иллюстрации ниже перечислены шаги для получения древесины с повышенной прочностью:

  1. Химическая обработка для частичного удаления лигнина/гемицеллюлозы.

  2. Механическое горячее прессование при 100 °C с уменьшением толщины примерно в пять раз. Бóльшая часть уплотнённой древесины состоит из хорошо выровненных целлюлозных нановолокон. Уплотнение значительно усиливает водородные связи между соседними нановолокнами.

Рис. 2. Способ обработки и механические характеристики древесины с повышенной плотностью

Рис. 2. Способ обработки и механические характеристики древесины с повышенной плотностью

Удельная прочность материала составляет 422,2 ± 36,3 МПа·см³·г⁻¹ (рис. 2.b). Это больше, чем у типичных металлов (сплав Fe-Al-Mn-C, TRIPLEX, высокопрочная сталь, HSSS), и даже у лёгкого титаново-алюминиевого сплава Ti6Al4V.

Рис. 3. Механическое горячее прессование древесины, фото: InventWood

Рис. 3. Механическое горячее прессование древесины, фото: InventWood

В рекламных материалах InventWood заявляет, что супердерево в 10 раз «прочнее по весу» и в 6 раз легче стали, хотя графики в научной статье показывает не такое большое преимущество. Возможно, после публикации научной статьи компания сумела усовершенствовать технологический процесс или имеет в виду некоторые специфические характеристики прочности.

Рис. 4. Структурные характеристики натуральной и уплотнённой древесины

Рис. 4. Структурные характеристики натуральной и уплотнённой древесины

На рис. 4 видна пористая структура натурального дерева (b) и просветы клеток при поперечном разрезе (с). Заметно, как меняется структура древесины при уплотнении: мы видим полностью сжатые просветы клеток (е, f). После химической обработки доля легнина сокращается с 20,8% до 11,3%, а гемицеллюлозы с 19,5% до 5,2%. Доля целлюлозы сокращается незначительно: с 44,0% до 38,7%. На последнем снимке показаны целлюлозные нановолокна.

Рис. 5. Механические свойства уплотнённой древесины: а) диаграммы растяжения для естественного и уплотнённого дерева; b) прочность и работа разрушения; f,g) симуляция деформации в натуральном и уплотнённом дереве

Рис. 5. Механические свойства уплотнённой древесины: а) диаграммы растяжения для естественного и уплотнённого дерева; b) прочность и работа разрушения; f,g) симуляция деформации в натуральном и уплотнённом дереве

Смоделированные кривые «напряжение-деформация» указывают на 7,5-кратное увеличение прочности и вязкости разрушения (toughness) после уплотнения древесины.

Такую древесину можно использовать даже для лёгких бронежилетов, против пуль мелкого калибра:

Рис. 6. Баллистические тесты

Рис. 6. Баллистические тесты

Многослойный древесно-волокнистый материал поглощает баллистическую энергию примерно 6,0 кДж/м, что в десять раз превышает показатель обычного дерева.

Научная статья опубликована [6] в журнале Nature (платный контент; pdf [7] временно доступен по гостевой ссылке).

Рис. 7. Дома будущего могут выглядеть примерно так, фото: InventWood

Рис. 7. Дома будущего могут выглядеть примерно так, фото: InventWood

Компания наладила массовое производство супердерева после длительного процесса оформления торговой марки и более 140 патентов, которые защищают технологический процесс. Сооснователь и соавтор патентов — профессор Йельского университета Лянбин Ху [8].

Рис. 8. Профессор Лянбин Ху

Рис. 8. Профессор Лянбин Ху

Электричество из дерева

Органические солнечные элементы [9] (organic solar cells, OSC) — очень перспективная технология возобновляемой энергетики, потому что такие элементы теоретически можно сделать очень дешёвыми и долговечными.

Например, учёные из Линчёпингского университета и Королевского технологического института (Швеция) несколько лет работают [10] над применением крафт-лигнина из древесной целлюлозы для улучшения характеристик OSC.

В частности, они пробуют использовать промышленно растворённый фракционированный крафт-лигнин LignoBoost (на иллюстрации — аббревиатура KL). Равномерно распределённые фенольные группы в KL позволяют ему легко образовывать водородные связи с широко используемыми материалами в катодном интерфейсном слое CIL, такими как батокупроин (BCP).

Рис. 9. Изображение под микроскопом и (2×2 мкм), поглощение в ультрафиолете и спектры N1s XPS двухслойных плёнок BCP и BCP:KL с 7-дневной деградацией и без неё, источник

Рис. 9. Изображение под микроскопом и (2×2 мкм), поглощение в ультрафиолете и спектры N1s XPS двухслойных плёнок BCP и BCP:KL с 7-дневной деградацией и без неё, источник [11]

Катодный интерфейсный слой (CIL) — это ультратонкий функциональный слой, применяемый в тонкоплёночных солнечных элементах, включая перовскитные и органические, и светодиодах.

Эта работа показала, что бинарные CIL хорошо работают в OSC с высокой совместимостью соотношения KL, демонстрируя эквивалентную или даже более высокую эффективность по сравнению с традиционными CIL в современных OSC. Кроме того, сочетание KL и BCP значительно повысило стабильность OSC, благодаря тому, что KL блокирует реакцию между BCP и нефуллереновыми акцепторами (NFA).

Хотя крафт-лигнин из древесины составляет пока небольшую часть солнечной ячейки, но в конечном итоге исследователи хотят разработать солнечную ячейку целиком из древесных материалов. Научная статья опубликована [11] в октябре 2023 года в журнале Advanced Materials (doi: 10.1002/adma.202307646).

В другом исследовании [4] 2026 года китайские учёные изготовили из древесины солнечно-тепловую ячейку (CPCM), которая накапливает тепло и генерирует электроэнергию, после химической обработки бальзового дерева. Бальза [12] (охрома) — уникальная древесина, известная во всём мире как самый мягкий и пористый коммерческий лесоматериал.

Рис. 10. Бальза — почти самое лёгкое дерево на Земле

Рис. 10. Бальза — почти самое лёгкое дерево на Земле

Под микроскопом бальза выглядит как пучок выровненных микротрубочек, каждая шириной около 20–50 мкм. Эти каналы могут направлять тепло и удерживать материалы, что делает их естественной «решёткой» для искусственных конструкций, которые мы хотим сделать на их основе. Именно такую модификацию [13] произвели инженеры из Куньминского университета науки и технологий и Гуандунского технологического университета (Китай)

Рис. 11. Дизайн древесной CPCM для солнечно-теплового энергетического преобразования, источник

Рис. 11. Дизайн древесной CPCM для солнечно-теплового энергетического преобразования, источник [4]

Поскольку сырая древесина отражает солнечный свет и впитывает воду, исследователи сначала удалили из неё лигнин. Этот этап увеличил пористость выше 93%, а древесина превратилась в высокопористую губку. Затем химически обработали внутренние поверхности и покрыли стены канала ультратонкими листами чёрного фосфорена — материала, который поглощает солнечный свет в УФ, видимом и ИК-диапазонах, преобразуя его в тепло.

Рис. 12. Подготовка и свойства чёрного фосфорена

Рис. 12. Подготовка и свойства чёрного фосфорена

Фосфорен обладает огнеупорными свойствами, но быстро разлагается на воздухе. Чтобы решить эту проблему, каждый нанолисток покрыли защитным слоем из таниновой кислоты и ионов железа. Эта металлическо-полифенольная сеть действует как молекулярный щит, предотвращая окисление и одновременно улучшая поглощение света за счёт эффектов переноса заряда. Даже после 150 дней солнечного воздействия материал остался стабильным.

Затем добавили серебряные наночастицы, которые усиливают поглощение света за счёт плазмонных эффектов, в основном усиливая взаимодействие материала с солнечным светом. Наконец, нанесли длинные углеводородные цепочки на поверхность, сделав её водоотталкивающей. Готовая структура имела угол смачивания 153°, то есть вода просто скатывается.

Рис. 13. Структура и свойства полученного материала (TBAWP)

Рис. 13. Структура и свойства полученного материала (TBAWP)

Каналы бальзы заполнили стеариновой кислотой. При нагревании это вещество плавится и накапливает энергию; при охлаждении затвердевает и высвобождает её.

Изготовленный из дерева материал накапливает около 175 кДж на кг массы, преобразует 91,27% входящего солнечного света в полезное тепло, а в сочетании с термоэлектрическим генератором выдаёт до 0,65 В в солнечный день.

Рис. 14. Когда солнечный свет попадает на материал, он нагревается и плавит встроенную стеариновую кислоту. Когда свет убирается, накопленное тепло постепенно выделяется, поддерживая разницу температур в термоэлектрическом генераторе. Это позволяет системе продолжать вырабатывать электричество даже после исчезновения источника света.

Рис. 14. Когда солнечный свет попадает на материал, он нагревается и плавит встроенную стеариновую кислоту. Когда свет убирается, накопленное тепло постепенно выделяется, поддерживая разницу температур в термоэлектрическом генераторе. Это позволяет системе продолжать вырабатывать электричество даже после исчезновения источника света.

Как видим, из дерева можно сделать высокоэффективную солнечную систему. Оно поглощает солнечный свет и накапливает тепло, защищая себя от влаги и огня. В будущем такой материал тоже можно использовать в строительстве.

Научная работа опубликована [14] в марте 2026 года в журнале Advanced Materials.

Сначала были контейнеры

Хотя в школьных учебниках упоминают «палки-копалки» и копья, в реальности самые древние деревянные изделия — это лоток из древесной коры возрастом от 400 000 до 500 000 лет [15] и строительные конструкции возрастом 470 000 лет [16].

Рис. 15. Антропологическая БД содержит 739 мобильных контейнеров эпохи плейстоцена (так называемый «ледниковый период») со всего мира, включая Украину и РФ

Рис. 15. Антропологическая БД [17] содержит 739 мобильных контейнеров эпохи плейстоцена (так называемый «ледниковый период») со всего мира, включая Украину и РФ

Исходя из этой научной работы, переносные ёмкости (контейнеры) не были изобретением оседлых фермеров, а являлись базовым, критически важным элементом кочевого образа жизни [18] древних гоминид 500 000 лет назад, чтобы переносить еду, воду и младенцев на большие расстояния. Этот факт (первичность контейнеров) косвенно подтверждается использованием контейнеров другими приматами. Например, губки для воды [19] и ложки/черпаки [20] из листьев у шимпанзе. Они даже умеют базово обрабатывать древесину (удалять лишнее и заострять ветки).

В общем, за древесиной наше прошлое, но и будущее тоже. Высокотехнологические сверхпрочные материалы в строительстве, аккумуляторы тепла, органические элементы. И мы ещё не научились применять фотосинтез в энергетике.

© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»

Автор: alizar

Источник [21]

Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru

Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/osc/453756

Ссылки в тексте:

[1] первые деревянные инструменты: https://www.newscientist.com/article/2526004-the-story-of-the-first-human-tool-the-humble-container/

[2] сверхпрочную уплотнённую древесину: https://edition.cnn.com/science/superwood-10-times-stronger-than-steel-spc

[3] органические солнечные элементы: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202307646

[4] накопители солнечного тепла: https://www.researchgate.net/publication/403160790_Interface-Engineered_Wood-Based_Composite_Phase_Change_Materials_Integrating_Superhydrophobic_Flame-Retardant_and_Antimicrobial_Properties_for_Sustainable_Solar-Electric_Energy_Conversion

[5] InventWood: https://www.inventwood.com/

[6] опубликовали : https://www.nature.com/articles/nature25476

[7] pdf: https://www.nature.com/articles/nature25476.epdf?sharing_token=v7badsodJ_gMAKmXDmJSgNRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0MG2hll_xgM9H0JWZ6-radSuIy4QJG9gHuIczt6rkKbMLKe37DD1isszMLt6q55KVBZuzrkg5EQ1aseJGnW00d7DEAEownRXOBrGVyUeX0L05b35n27_k7njIojJ4DNRF4o82VwiDSa6UlUNlwf__Sdn0LNrzSTSVglIhXuSAklcg%3D%3D&tracking_referrer=edition.cnn.com

[8] Лянбин Ху: https://engineering.yale.edu/news-and-events/news/igniting-innovation

[9] Органические солнечные элементы: https://en.wikipedia.org/wiki/Organic_solar_cell

[10] несколько лет работают: https://liu.se/nyhet/tramaterial-ger-palitliga-organiska-solceller

[11] источник: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202307646

[12] Бальза: https://en.wikipedia.org/wiki/Ochroma

[13] такую модификацию: https://interestingengineering.com/energy/wood-converts-sunlight-into-heat

[14] опубликована: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.70872

[15] лоток из древесной коры возрастом от 400 000 до 500 000 лет: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S027841652600022X?via%3Dihub

[16] строительные конструкции возрастом 470 000 лет: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06557-9

[17] Антропологическая БД: https://osf.io/kycv2/overview

[18] базовым, критически важным элементом кочевого образа жизни: https://phys.org/news/2026-05-history-ancient-technology-hundreds-thousands.html

[19] губки для воды: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/aje.13163?getft_integrator=sciencedirect_contenthosting&src=getftr&utm_source=sciencedirect_contenthosting

[20] ложки/черпаки: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-4-431-53921-6_9

[21] Источник: https://habr.com/ru/companies/ruvds/articles/1043628/?utm_source=habrahabr&utm_medium=rss&utm_campaign=1043628