Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники

Команда из Европы работает с деревом, но не совсем обычными способами. Они не плотники и не мебельщики. Они — ученые, изучающие, как с использованием дерева можно создавать более экологичные электронные устройства, при производстве которых в воздух выбрасывается меньше газов, способствующих потеплению климата.

Их последнее изобретение — транзистор, сделанный из бальзового дерева.

Транзисторы используются в компьютерах и других устройствах. Они действуют как крошечные переключатели, управляющие потоком электричества. Инженеры используют их для обработки и хранения данных. В современных ноутбуках могут быть миллиарды транзисторов. Они должны быть крошечными — лишь немного толще нити ДНК — чтобы поместиться в корпусе в таком количестве.

Новый транзистор, который создал Исак Энгквист и его команда в шведском Университете Линчепинга, не такой уж и маленький. Достаточно большой, чтобы его можно было увидеть и взять в руки, а еще он может выдерживать только низкое напряжение. Для понимания: напряжение действует как электрическое давление, которое толкает электроны. И относительно большой размер транзистора означает, что он не очень подходит для обычных компьютеров. Кроме того, он работает на электрохимических принципах. Это означает, что он управляет током с помощью заряженных частиц, называемых ионами.

Эта новая технология демонстрирует «доказательство концепции» — что идея может работать, даже если новое устройство еще не готово к внедрению в современную электронику. И хотя такой транзистор велик по сегодняшним меркам, он все же может оказаться полезным для той электроники, которой требуется небольшое напряжение, говорит Энгквист.

Дэниел Саймон согласен с этим. Даже в качестве пробного варианта, говорит он, «это большое дело». Как и Энгквист, Саймон — физик из Линчепинга. Однако, в отличие от Энгквиста, он не работал над созданием нового устройства.

По словам Саймона, новый транзистор позволяет предположить, что в будущем электронные устройства можно будет делать в живых растениях. «Представьте себе, что вы сдираете кору с живого дерева, — говорит он, — и впечатываете электронные схемы в живую древесину».

На самом деле, — говорит Энгквист, — существует так много способов использования дерева и его компонентов, о которых мы никогда бы не подумали». Например, он может представить себе датчик на основе дерева, который может следить за здоровьем сельскохозяйственных культур, измерять уровень загрязнения или исследовать лес на предмет пожароопасности.

Почему дерево?

«Зеленая» электроника — очень актуальная тема», — отмечает Гвидо Панзараса. Он работает в Цюрихском технологическом институте в Швейцарии. Термин „зеленая электроника“, объясняет он, обычно относится к устройствам, „которые меньше зависят от невозобновляемых источников“ — например, от того, что нужно добывать. Именно это и заинтересовало материаловеда в устройствах на основе древесины.

Транзисторы в компьютерах обычно изготавливаются из кремния. При производстве кремния для таких целей выделяется значительное количество загрязняющих веществ. Первый из них, двуокись углерода, это газ, способствующий потеплению климата. Также выделяются оксиды азота. Эти газы могут нанести вред легким и усугубить астму. Для превращения кремния в устройства для электроники используются фторсодержащие газы, которые в тысячи раз сильнее нагревают климат, чем CO2.

Древесный транзистор позволит полностью отказаться от кремния.

Такое устройство может показаться удивительным, признает Ван Чинь Тран. Будучи аспирантом, он руководил разработкой нового транзистора. Тран отмечает, что в сухом виде дерево является изолятором. Оно не пропускает электричество. Команда из Линчепинга, в которую он входит, задалась вопросом, как можно изменить древесину, чтобы она проводила электричество.

По словам Панзараса, существует как минимум два способа сделать это. Можно обработать поверхность дерева материалами, чтобы запустить химическую реакцию, которая превратит древесину в лучший проводник электричества. Он работает над созданием устройств, запускающих этот процесс.

Второй подход использует структуру дерева для поддержки проводящих материалов. Именно эта идея лежит в основе нового транзистора из Линчепинга.

Выяснить это «было нашим первым шагом», — говорит Тран. Древесина плотная, но пористая. В структуре есть множество каналов. Влага течет по этим каналам, пока дерево растет. Но когда дерево высыхает, каналы опустошаются. Его группа подозревает, что эти каналы могут быть полезны — особенно если расширить их. Для этого нужно изменить древесину внутри каналов.

Здесь следует рассказать, что такое лингин. Лигнин — это вещество в клеточных стенках, которое помогает растениям расти в высоту. Используя тепло и химические вещества, группа из Линчепинга удалила лигнин. В результате каналы стали шире. Затем ученые заполнили эти расширенные полые каналы электропроводящим материалом. Они назвали его PEDOT:PSS. (Это аббревиатура от поли (3,4-этилендиокситиофен)-полистиролсульфонат).

PEDOT:PSS — это синтетический химикат, который иногда используется в других устройствах, в том числе в солнечных батареях. На микроскопическом уровне этот полимер выглядит как длинная череда одинаковых молекул. Он может применяться в виде жидкости. В рамках своего исследования команда из Линчепинга залила жидкость во внутренние туннели дерева, чтобы покрыть их поверхность.

Как это работает

Для создания транзистора команда использовала три небольших кусочка обработанной древесины. Толщина каждого из них составляла один миллиметр (0,04 дюйма), а длина — 30 миллиметров (1,2 дюйма). Ширина двух кусков составляла пять миллиметров, а третьего — два миллиметра. Более узкий кусок был помещен крест-накрест между двумя другими и под прямым углом. Вместе они образовывали форму строчной буквы «t».

Испытания показали, что это устройство действительно работает как электрический переключатель. Верхняя и нижняя части действовали как затвор.

В средней части каналы были заполнены гелем-электролитом. Заряженные ионы, проходящие через этот электролит, создавали ток. Но когда между верхним и нижним затворами подавалось напряжение, через электролит перемещались другие заряженные частицы. Это изменяло проводимость канала в центре — и фактически выключало поток ионов.

Включая и выключая напряжение на затворе, исследователи могли управлять потоком тока через среднюю часть.

Оптимизация процесса

По словам Трана, чтобы найти оптимальный дизайн для этого устройства, потребовались пробы и ошибки.

Первый шаг: поиск лучшей древесины. Ученые протестировали бальзу, сосну и ясень. «Бальза показала наилучшие результаты, — говорит он. Она проводит электричество в три раза лучше, чем два других вида древесины».

Бальза — интересная древесина. Она гораздо менее плотная, чем другие породы, отмечает Панзараса.

Каналы в ней относительно большие, говорит он, а стенки клеток достаточно тонкие.

Тран и его группа также должны были найти правильный рецепт удаления лигнина. Если убрать слишком мало, древесина будет плохо проводить электричество. Если убрать слишком много, древесина размягчается и разрушается.

В будущем, говорит Энгквист, его команда хочет сделать устройство еще лучше. «Мы хотим улучшить его характеристики» — например, напряжение, которое оно может выдержать. Его группа подозревает, что, например, PEDOT:PSS не покрыл внутреннюю поверхность дерева равномерно. При более равномерном покрытии, по их мнению, новый транзистор сможет проводить электричество более эффективно. Они также изучают способы удаления большего количества лигнина.

Панзараса из Цюриха говорит, что исследователи могли бы и дальше испытывать саму древесину. Он хотел бы сравнить транзистор из бальзы с транзисторами из других пористых материалов, чтобы понять, действительно ли он самый совершенный.

Энгквист также хочет найти новинке подходящее применение.

Это может быть датчик окружающей среды, говорит Трэн. Или это может быть батарея на основе дерева. В конце концов, когда ученые мечтают о большом, они думают и о других экзотических идеях, связанных с «зеленым» электричеством.

Например, говорит Тран, «мы даже обсуждали возможность выращивания транзистора внутри дерева». Как вам такой вариант „зеленой“ электроники?

Источник перевода: https://www.snexplores.org/article/innovation-2024-balsa-wood-transistors-green-electronics-environment

02.03.2024