世界首個(gè)木質(zhì)晶體管為木質(zhì)電子產(chǎn)品鋪平道路

電子器件的核心部件是晶體管，它可以控制電流的開(kāi)關(guān)和大小，從而實(shí)現(xiàn)各種計(jì)算和信號(hào)處理功能。目前，晶體管的主要材料是硅，因?yàn)樗哂辛己玫?a target="_blank">半導(dǎo)體特性，可以在微觀(guān)尺度上制造出高性能的晶體管。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片中的晶體管直徑為幾納米，開(kāi)關(guān)頻率為數(shù)百吉赫茲。用于生物降解應(yīng)用的有機(jī)電化學(xué)晶體管尺寸為毫米，開(kāi)關(guān)頻率為千赫。世界上第一個(gè)木制晶體管是由研究人員通過(guò)瓦倫堡木材科學(xué)中心（Wallenberg Wood Science Center）合作制造的，近日發(fā)表在了《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院出版物》上，直徑3厘米，開(kāi)關(guān)頻率不到1赫茲。雖然它可能不會(huì)很快為任何基于木材的超級(jí)計(jì)算機(jī)提供動(dòng)力，但它確實(shí)有望用于專(zhuān)業(yè)應(yīng)用，包括可生物降解的計(jì)算和植入活體植物材料。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作的瑞典林雪平大學(xué)教授Isak Engquist說(shuō)：“這是好奇心驅(qū)動(dòng)的研究。我們?cè)囅耄覀兡茏龅絾幔孔屛覀儼阉窒斫o科學(xué)界吧，并且希望其他人能夠在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用它們’?！?/p>

盡管木制晶體管仍在等待它的殺手級(jí)應(yīng)用，但制造木質(zhì)電子產(chǎn)品的想法并不像聽(tīng)起來(lái)那么瘋狂。最近一篇關(guān)于木質(zhì)材料的綜述稱(chēng)，“大約3億年的樹(shù)木進(jìn)化產(chǎn)生了6萬(wàn)多種木本植物，每一種都是大自然的工程杰作?！?木材具有很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)具有高度多孔性，能夠有效地輸送水分和養(yǎng)分。研究人員利用這些特性在木材的孔隙內(nèi)形成導(dǎo)電通道，并借助滲透性電解質(zhì)以電化學(xué)方式調(diào)節(jié)其導(dǎo)電性。

在這6萬(wàn)種木材中，該團(tuán)隊(duì)選擇輕木（balsa wood）是因?yàn)樗膹?qiáng)度，即使其結(jié)構(gòu)中的一種成分——木質(zhì)素——已被大部分去除，以便為導(dǎo)電材料騰出更多空間。為了去除大部分木質(zhì)素，將輕木塊用熱和化學(xué)物質(zhì)處理 5 小時(shí)。然后，剩余的基于纖維素的結(jié)構(gòu)被涂上導(dǎo)電聚合物。該團(tuán)隊(duì)嘗試了幾種聚合物，但他們發(fā)現(xiàn)了一種名為PEDOT:PSS 的聚合物是最有效的，部分原因是它是水溶性的。由于木材內(nèi)部的孔隙是用來(lái)輸送水的，因此 PEDOT:PSS 溶液很容易通過(guò)管子擴(kuò)散，電子顯微鏡和 X 射線(xiàn)成像顯示聚合物裝飾了管結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，由此產(chǎn)生的木塊沿著它們的纖維導(dǎo)電。

為了組裝晶體管，研究人員使用了三塊導(dǎo)電木頭，每塊木頭長(zhǎng)3厘米，高和寬為幾毫米，排列成T形。.T的頂部用作晶體管溝道，一端為源極，另一端為漏極。通道夾在兩個(gè)“門(mén)”片之間，形成T形的腿。在通道和門(mén)之間的接觸點(diǎn)，研究人員將凝膠電解質(zhì)分層。施加到柵極的電壓將氫離子從電解質(zhì)輸送到聚合物中，引起化學(xué)反應(yīng)，從而改變聚合物的電導(dǎo)率。這種反應(yīng)是可逆的，允許這種基于木材的晶體管進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。

這是一項(xiàng)原理驗(yàn)證工作，應(yīng)該可以設(shè)計(jì)出更高的電流和更小的設(shè)備。即便如此，它也不太可能成為復(fù)雜電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。然而，它可能會(huì)被用作其他組件的開(kāi)關(guān)，如太陽(yáng)能電池、電池或傳感器，這些組件可能被納入木材中。Enquist說(shuō)：“我有一些同事在我們稱(chēng)之為電子植物的領(lǐng)域走在最前沿，他們?cè)噲D將電子功能集成到活植物中。我們已經(jīng)為這個(gè)項(xiàng)目與枯木合作過(guò)，但下一步可能是將其也集成到活的植物中?！?/span>

木制晶體管的一個(gè)潛在優(yōu)勢(shì)是它是自支撐的：它不需要印刷或沉積襯底。有機(jī)電化學(xué)晶體管的制造商對(duì)生物傳感和生物電子學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，致力于用可持續(xù)材料制造多功能器件。然而，它們?nèi)匀恍枰ＡЩ蚱渌麃?lái)源不可持續(xù)的基質(zhì)。林雪平大學(xué)生物電子學(xué)教授Daniel Simon沒(méi)有參與這項(xiàng)工作，他說(shuō)：“如果我們真的轉(zhuǎn)向可再生、森林或生物材料，不僅僅是作為添加劑，而是作為設(shè)備的實(shí)際結(jié)構(gòu)部件，我認(rèn)為這開(kāi)辟了一個(gè)非常有趣的空間。我相信這只是一個(gè)開(kāi)始?！?/p>

也就是說(shuō)，這些應(yīng)用程序仍然是假設(shè)的，研究人員說(shuō)，這項(xiàng)工作是本著合作的好奇心進(jìn)行的。Engquist說(shuō)：“在這個(gè)項(xiàng)目中，真正重要的是我們是非常跨學(xué)科的研究。如果沒(méi)有木質(zhì)纖維素專(zhuān)家，我們就沒(méi)有機(jī)會(huì)做到這一點(diǎn)。另一方面，他們也從來(lái)沒(méi)有想過(guò)在他們正在以多種不同的方式熟練處理的木材中加入晶體管。所以，只有當(dāng)我們走到一起時(shí)，我們才能夠做到這一步。” 這種木材電化學(xué)晶體管 （WECT） 可以為更具可持續(xù)性和可生物降解性的木質(zhì)電子產(chǎn)品鋪平道路。此外，木質(zhì)電子產(chǎn)品可以對(duì)活植物進(jìn)行電子控制。這項(xiàng)研究展示了木頭作為一種新型電子材料的潛力和前景，也為電子器件的材料革命開(kāi)辟了新的道路。