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, 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, которую можно использовать в строительстве или бронежилетах. Кроме того, из дерева делают дешёвые органические солнечные элементы и накопители солнечного тепла в энергетике.
Сверхпрочная древесина
Американская компания InventWood 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 в журнале Nature.
На иллюстрации ниже перечислены шаги для получения древесины с повышенной прочностью:
Химическая обработка для частичного удаления лигнина/гемицеллюлозы.
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.
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.
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.
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.
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:
Многослойный древесно-волокнистый материал поглощает баллистическую энергию примерно 6,0 кДж/м, что в десять раз превышает показатель обычного дерева.
Научная статья опубликована в журнале Nature (платный контент; pdf временно доступен по гостевой ссылке).
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.
Электричество из дерева
Органические солнечные элементы (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 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).
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 в октябре 2023 года в журнале Advanced Materials (doi: 10.1002/adma.202307646).
В другом исследовании 2026 года китайские учёные изготовили из древесины солнечно-тепловую ячейку (CPCM), которая накапливает тепло и генерирует электроэнергию, после химической обработки бальзового дерева. Бальза (охрома) — уникальная древесина, известная во всём мире как самый мягкий и пористый коммерческий лесоматериал.
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 произвели инженеры из Куньминского университета науки и технологий и Гуандунского технологического университета (Китай)
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.
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.
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.
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 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 и строительные конструкции возрастом 470 000 лет.
Исходя из этой научной работы, переносные ёмкости (контейнеры) не были изобретением оседлых фермеров, а являлись базовым, критически важным элементом кочевого образа жизни 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 и ложки/черпаки 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»