Дрвен транзистор, ново поглавје во технологијата

Хемичарите го создадоа првиот дрвен транзистор во светот и остварија голем пробив во т.н „зелената технологија“, базирана не на силициум туку на биолошки материјали.

Како што навлегуваме во ерата на зелените технологии, ќе има сè поголема разлика помеѓу сложената нано-електроника од една страна и едноставната електроника со голема големина површина од друга страна, со функционалности како биосензори, биоинтеграција, биоразградливост, итн. Биоматеријалите ќе бидат основа за развој на овие функционалности. Во текот на последните децении, целулозата, лигнинот, спроводливите полимери и другите органски или био-базирани материјали се појавија како потенцијални шаблони или активни компоненти во различни електрични уреди. Меѓу овие материјали, дрвото се издвојува кога станува збор за материјали кои имаат потенцијал за транспорт и регулација на јони. Неколку студии покажаа дека уникатните тродимензионални (3D) микроструктури на балса-дрвото се идеално дизајнирани за транспорт на маса во електродите на електрохемиските уреди. Како резултат на тоа, дрвото е карбонизирано или функционализирано со спроводливи материјали за примена во суперкондензатори, батерии и електрохромни екрани. По отстранувањето на лигнинот, отворените патишта генерирани долж дрвените влакна се покажа дека обезбедуваат ветувачки канали за транспорт на јони во нанофлуидните уреди. Покрај тоа, дрвото беше истражено и во други електрични системи како што се трибоелектрични наногенератори и електрична магнетна заштита. Овие достигнувања покажуваат дека дрвото има огромен потенцијал за енергија и електронска технологија. Дрвото е ортотропно, а насоченоста може да обезбеди предности за перформансите на органскиот транзистор.

„Модулација на електрична струја во дрвени електрохемиски транзистори“ е нова статија на научниците од Универзитетот Линкопинг во Норшепинг и Кралскиот институт за технологија во Стокхолм. Го опишува создавањето на дрвен електрохемиски транзистор (WECT). Во моментов е бавен и голем, има пречник од 3 см, но работи, што дава голем потенцијал за развој на оваа насока.
За WECT се користело проводно дрво (CW), добиено со отстранување на лигнин од дрво со помош на хемиски растворувач. Каналите во кои бил присутен лигнин се заменуваат со полимер со мешана електронско-јонска спроводливост. Во овој проект, избраните шуми биле балса (поради посакуваната внатрешна каналска структура) и проводниот полимер PEDOT:PSS.

Ортотропната 3Д микроструктура го промовираше дрвото како шаблон за примена во енергијата базирана на дрво и електронските уреди. Постојат различни сорти на електроспроводливо дрво но балса дрвото покажало најдобри резултати. Во овај труд , презентирани се разни пристапи за подготовка на проводно дрво (CW), во кое електричната спроводливост може да се модулира со помош на надворешен потенцијал. Ова резултирало со транзистор каде што сите три терминали се направени од проводно дрво и кој може да се работи континуирано при избраната спроводливост без да биде ограничен од, на пример, ефекти на заситеност.

Природата на транспортирање на маса во растенијата неодамна го инспирираше развојот на евтина и одржлива електроника базирана на дрво. CW се подготвува со користење на стратегија во два чекора на разграничување на дрвото, проследено со спојување на дрвото со мешан полимер што спроведува електрон-јони, поли(3,4-етилендиокситиофен)-полистирен сулфонат (PEDOT:PSS).

Поли (3,4-етилендиокситиофен) полистирен сулфонат (PEDOT:PSS) е полимерна смеса од два јономери.

Една компонента во оваа смеса е составена од полистирен сулфонат кој е сулфониран полистирен. Дел од сулфонилните групи се депротонирани и носат негативен полнеж. Другата компонента поли(3,4-етилендиокситиофен) (PEDOT) е конјугиран полимер и носи позитивни полнежи и се базира на политиофен. Заедно, наелектризираните макромолекули формираат макромолекуларна сол.

PEDOT:PSS има најголема ефикасност меѓу проводните органски термоелектрични материјали (ZT~0,42) и затоа може да се користи во флексибилни и биоразградливи термоелектрични генератори. Сепак, неговата најголема примена е како проѕирен, спроводлив полимер со висока еластичност, како антистатички агенс за спречување на електростатско празнење за време на производството и нормална употреба на филмот, независно од условите на влажност. и како електролит во полимерните електролитски кондензатори.

Ако се додадат органски соединенија, вклучувајќи растворувачи со висока температура на вриење како метилпиролидон, диметил сулфоксид, сорбитол, јонски течности и сурфактанти, спроводливоста се зголемува за многу реда на големина. Ова го прави погоден и како транспарентна електрода, на пример во екрани на допир, органски диоди што емитуваат светлина, флексибилни органски соларни ќелии и електронска хартија за замена на традиционално користениот индиум кал оксид (ITO). Поради високата спроводливост (до 4600 S/cm), може да се користи како катоден материјал во кондензатори кои го заменуваат манган диоксидот или течните електролити. Се користи и во органски електрохемиски транзистори.

Спроводливоста на PEDOT:PSS може значително да се подобри со пост-третман со различни соединенија, како што се етилен гликол, диметил сулфоксид (DMSO), соли, цвитериони, корастворувачи, киселини, алкохоли, фенол, геминални диоли и амфифилни флуоро-соединенија. Оваа спроводливост е споредлива со онаа на ITO, популарниот проѕирен материјал на електродата, и може да ја зголеми тројно онаа на ITO откако мрежа од јаглеродни наноцевки и сребрени нанотуби е вградена во PEDOT:PSS и се користи за флексибилни органски уреди

Модифицираното дрво има електрична спроводливост до 69 Sm−1 предизвикана од формирањето на PEDOT:PSS микроструктури во внатрешноста на дрвениот 3D скелет. CW потоа се користи за производство на WECT, кој е способен да модулира електрична струја во порозен и дебел транзисторски канал (1 mm) со сооднос вклучување/исклучување од 50. Уредот покажува добар одговор на модулацијата на напонот на портата и покажува динамична преклопни својства слични на оние на органски електрохемиски транзистор. Овој уред заснован на дрво и предложениот принцип на работа ја демонстрираат можноста за инкорпорирање на активна електронска функционалност во дрвото, сугерирајќи различни видови електронски уреди базирани на биоматеријали.

Ако во модерната индустрија големината на транзисторите се пресметува во нанометри, тогаш WECT е вистински макрокосмос: прототипот развиен и тестиран од шведските научници има дијаметар од 3 cm, а неговата фреквенција е до 1 Hz. Сепак, истражувачите забележуваат дека брзите транзистори невидливи за окото не се секогаш потребни. На пример, за самата контрола врз растенијата, тие се бескорисни.
„Дојдовме до принцип без преседан.Да, дрвениот транзистор е бавен и гломазен, но работи и има огромен потенцијал за развој“.

За изградба на WECT се потребни три парчиња дрво: едно како централен канал на транзисторот и по едно како горните и долните порти.

Мислите лигнинот е проста материја?

Лигнинот е класа на сложени органски полимери кои формираат клучни структурни материјали во потпорните ткива на повеќето растенија. Лигнините се особено важни при формирањето на клеточните ѕидови, особено во дрвото и кората, бидејќи тие даваат цврстина и не гнијат лесно. Хемиски, лигнините се полимери направени со вкрстено поврзување на фенолни прекурсори.

Лигнинот е збирка на високо хетерогени полимери добиени од неколку претходници лигноли. Хетерогеноста произлегува од различноста и степенот на вкрстено поврзување помеѓу овие лигноли. Лигнолите кои се вкрстуваат се од три главни типа, сите добиени од фенилпропан: иглолистен алкохол (4-хидрокси-3-метоксифенилпропан) (G, неговиот радикал понекогаш се нарекува гуајацил), синапил алкохол (3,5-диметокси-4-хидроксифенилпропан) (S, неговиот радикал понекогаш се нарекува сирингил), и паракумарил алкохол (4-хидроксифенилпропан).

Релативните количини на прекурсорите „мономери“ (лигноли или монолигноли) варираат во зависност од растителниот извор. Лигнините обично се класифицираат според нивниот сооднос сирингил/гуајацил (S/G).

Молекуларната маса на лигнинот надминува 10.000 u. Тој е хидрофобен бидејќи е богат со ароматични подединици. Тешко е да се измери степенот на полимеризација, бидејќи материјалот е хетероген.
Трите вообичаени монолигноли: H, паракумарил алкохол (1), G, иглолистен алкохол (2) и S, синапил алкохол (3)

Истражувачите забележуваат дека иако неговите параметри не се споредливи со традиционалните силициумови транзистори, создавањето на такви решенија од дрво ќе го отвори патот за „зелена“ биоразградлива електроника а електрониката на дрвото може да обезбеди „електронска контрола над живите растенија“.