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, 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:

  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 в журнале Nature (платный контент; pdf 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.

Рис. 8. Профессор Лянбин Ху
Рис. 8. Профессор 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).

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

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.

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 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

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 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.

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 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 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»