Электроника может расти на деревьях благодаря полупроводникам из наноцеллюлозы
Полупроводниковые наноматериалы с трехмерной сетчатой структурой имеют большую площадь поверхности и множество пор, что делает их превосходными для приложений, связанных с адсорбцией, разделением и восприятием. Однако одновременное управление электрическими свойствами и создание полезных микро- и макроструктур при одновременном достижении превосходной функциональности и универсальности конечного использования остается сложной задачей. Теперь исследователи Университета Осаки в сотрудничестве с Токийским университетом, Университетом Кюсю и Университетом Окаяма разработали бумажный полупроводник из наноцеллюлозы, который обеспечивает возможность проектирования трехмерных структур в нано-микро-макро-масштабах и широкие возможности настройки электрических свойств. . Их выводы опубликованы в ACS Nano.
Схематическая диаграмма получения нанополупроводника на основе древесной наноцеллюлозы с настраиваемыми электрическими свойствами и трехмерными структурами. Авторы и права: 2022 г. Кога и др. Полупроводник из наноцеллюлозной бумаги с трехмерной сетевой структурой и трансмасштабным дизайном нано-микро-макро. АКС Нано
Целлюлоза — это натуральный и легкодоступный материал, получаемый из древесины. Нановолокна целлюлозы (наноцеллюлоза) могут быть превращены в листы гибкой наноцеллюлозной бумаги (нанобумаги) с размерами, подобными размерам стандарта А4. Нанобумага не проводит электрический ток; однако нагрев может привнести проводящие свойства. К сожалению, это воздействие тепла также может разрушить наноструктуру.
Поэтому исследователи разработали процесс обработки, который позволяет им нагревать нанобумагу, не повреждая структуры бумаги от наномасштаба до макромасштаба.
«Важным свойством полупроводника из нанобумаги является настраиваемость, потому что это позволяет разрабатывать устройства для конкретных приложений», — объясняет автор исследования Хиротака Кога. «Мы применили обработку йодом, которая оказалась очень эффективной для защиты наноструктуры нанобумаги. Сочетание этого с пространственно контролируемой сушкой означало, что обработка пиролизом существенно не изменила разработанные структуры, а выбранную температуру можно было использовать для управления электрическими свойствами».
(а) Широкая и систематическая настраиваемость электрических свойств и (б) нано-микро-макро-трансмасштабная возможность проектирования трехмерных структур свежеприготовленного полупроводника (обозначается как полупроводник из нанобумаги). Авторы и права: 2022 г. Кога и др. Полупроводник из наноцеллюлозной бумаги с трехмерной сетевой структурой и трансмасштабным дизайном нано-микро-макро. АКС Нано
Исследователи использовали методы оригами (складывание бумаги) и киригами (вырезание бумаги), чтобы представить игровые примеры гибкости нанобумаги на макроуровне. Птица и коробка были сложены, фигуры, включая яблоко и снежинку, были вырезаны, а более сложные конструкции были созданы с помощью лазерной резки. Это продемонстрировало возможный уровень детализации, а также отсутствие повреждений, вызванных термической обработкой.
Примеры успешных применений показали полупроводниковые датчики из нанобумаги, встроенные в носимые устройства, для обнаружения выдыхаемой влаги, прорывающейся через лицевые маски, и влаги на коже. Полупроводник из нанобумаги также использовался в качестве электрода в глюкозном биотопливном элементе, и вырабатываемая энергия зажигала небольшую лампочку.
Демонстрация устройства с использованием полупроводника из нанобумаги. (а) Носимый датчик для мониторинга водяного пара, полученного при выдохе человека, просачивающегося из лицевых масок. Моющаяся маска: наблюдались ответные импульсы датчика, соответствующие дыханию, что указывало на утечку водяного пара из моющейся маски. Хирургическая маска: наблюдалось лишь постепенное снижение сопротивления сенсора, что указывает на эффективное улавливание паров воды хирургической маской. (b) Биотопливный элемент с глюкозой для производства энергии. Полупроводник из нанобумаги продемонстрировал плотность мощности в 14 раз выше, чем у коммерческого графитового листа, и привел к включению красного светодиода. Авторы и права: 2022 г. Кога и др. Полупроводник из наноцеллюлозной бумаги с трехмерной сетевой структурой и трансмасштабным дизайном нано-микро-макро. АКС Нано
«Сохранение структуры и настраиваемость, которые мы смогли продемонстрировать, очень обнадеживают для преобразования наноматериалов в практические устройства», — говорит доцент Кога. «Мы считаем, что наш подход будет лежать в основе следующих шагов в области устойчивой электроники, полностью изготовленной из растительных материалов».
Статья «Наноцеллюлозный бумажный полупроводник с трехмерной сетевой структурой и его нано-микро-макро-трансмасштабным дизайном» была опубликована в ACS Nano.
