Блог компании ua-hosting.company. В мире, который нас окружает, полно вещей, требующих объяснения. Что происходит, как это происходит и почему — это лишь часть вопросов, на которые старается найти ответы наука. Помимо фактического получения знаний, наука позволяет использовать их для разработки и создания тех или иных технологий. В частности это касается выбора материалов для различных устройств. Какие-то материалы отлично подходят для выполнения одних задач, но совершенно бесполезны для других.

Однако, порой материал, который изначально казался абсолютно непригодным для создания определенной системы, может таковым стать, если удается превзойти ограничения, установленные законами природы.

Так ученые из Линчёпингского университета (Швеция) создали первый в мире транзистор из дерева. В чем особенность деревянного транзистора, как он работает, и где его можно применить на практике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Ученые отмечают, что современные разработки должны учитывать один важный фактор, который ранее по большей степени игнорировался, а именно экологичность. Все больше и больше устройств и технологий стараются быть «зелеными», дабы снизить и без того колоссальное влияние на окружающую среду со стороны человечества. Дабы достичь экологичности какой-либо системы, ее надо либо создавать с нуля, либо переделывать, используя набор новых инструментов, методик и, в первую очередь, материалов.

Большие надежды возлагаются на биоматериалы. В течение последних десятилетий целлюлоза, лигнин, проводящие полимеры и другие органические или биологические материалы стали широко применяться в разработке и производстве различной электроники.

Среди этих материалов древесина выделяется, когда речь идет о материалах, обладающих потенциалом для транспорта и регулирования ионов. Несколько исследований показали, что уникальные трехмерные (3D) микроструктуры древесных «просветов» (микроскопических пустот между волокнами) идеально подходят для массопереноса в электродах электрохимических устройств.

В результате древесина была карбонизирована или функционализирована проводящими материалами для применения в суперконденсаторах, батареях и электрохромных экранах. Было доказано, что после удаления лигнина открытые пути, образующиеся вдоль древесных волокон, обеспечивают работоспособные и эффективные каналы переноса ионов в наножидкостных устройствах. Кроме того, древесина также исследовалась в других электрических системах, таких как трибоэлектрические наногенераторы и электрическое магнитное экранирование.

Все это говорит о том, что древесина обладает вполне осязаемым потенциалом для технологий в области электроники и энергетики. Древесина ортотропна, и ее направленность может обеспечить ряд преимуществ для повышения производительности органических транзисторов. Однако транзисторов из дерева пока не было создано.

Чтобы превратить древесину в активный компонент обычного полупроводникового или органического электрохимического транзистора (OECT от organic electrochemical transistor), требуется регулируемая электрическая проводимость. Проводимость может быть вызвана либо карбонизацией древесины, либо модификацией древесины проводящими полимерами, такими как полианилин, полипиррол или поли(3,4-этилендиокситиофен)-полистиролсульфонат (PEDOT:PSS). Однако модуляция проводимости углеродных проводников электронными или электрохимическими средствами невозможна, что исключает использование карбонизированной древесины в качестве материала канала транзистора. Следовательно, вариант только один — использовать модификацию древесины посредством проводящих полимеров.

Более ранние попытки создания транзисторов на основе дерева включают исследования, направленные на использование дерева и его производных в качестве непроводящей подложки для изготовления обычного транзистора. В этом направлении обычно выбирают целлюлозную бумагу, поскольку она обладает хорошей гибкостью, а в некоторых случаях также высокой прозрачностью. Целлюлозные волокна также демонстрируют потенциал в качестве структурного компонента в электролите транзистора с электролитным затвором.

Хотя целлюлоза использовалась для изготовления кремнийсодержащих транзисторов, транзисторы, не основанные на кремниевой технологии, в будущем могут уменьшить количество электронных отходов и стать биоразлагаемыми. В недавнем исследовании сообщалось о создании мембраны на основе древесины, которая может регулировать перенос ионов посредством модуляции внешнего напряжения («A nanofluidic ion regulation membrane with aligned cellulose nanofibers).

С этой целью авторы исследования нанесли на поверхность дерева слой затворного электрода из металлического серебра и применили принцип работы затворного транзистора для регулирования движения ионов в мембране. В результате получается своего рода ионный транзистор. Такое устройство обладает потенциалом, но оно ограничено необходимостью передачи электрического тока на ионный ток на электродах. Ожидаемое накопление ионного заряда или продуктов электрохимической реакции на границах раздела будет препятствовать возможности работы устройства в устойчивом состоянии в течение более длительных периодов времени.

Для длительной работы транзистора необходимо полагаться на модуляцию электропроводности. Следовательно, необходим метод, который мог бы использовать ионную проводимость древесины, но также включал бы достаточную и регулируемую электрическую проводимость древесины для фактического канала транзистора.

И тут может помочь именно проводящая древесина (CW от conductive wood) на основе PEDOT:PSS. Полученный OECT был бы построен на транзисторном канале, который обладает электропроводностью и может быть электрохимически модулирован с использованием ионного транспорта между каналом транзистора и электродом затвора. Поскольку оба этих транспортных механизма могут быть реализованы в древесине, то должна быть возможность построить OECT, полностью основанный на древесине.