Die Idee von Herstellung von Halbleitern aus Holz ist nicht so abwegig, wie es sich anhört. Das liegt daran, dass Zellwände in Pflanzen aus einem Material namens Zellulose bestehen, und Zellulose kann dazu gebracht werden, Elektrizität zu leiten, wenn sie unter bestimmten Bedingungen auf relativ hohe Temperaturen erhitzt wird.
Aber es gibt ein Problem mit diesem erneuerbaren Nanomaterial, das eine Form von Nanopapier ist. Dieser Verbrennungsprozess – Karbonisierung genannt – kann leicht die dreidimensionalen Strukturen zerstören, die von Zellulose abgeleitete Halbleiter so nützlich machen würden.
Deshalb ist ein neues Verfahren, das von Forschern in Japan entwickelt wurde, eine große Sache. In a Papier veröffentlicht am Dienstag in ACS-Nano, die Forscherbeschreiben ein Behandlungsprozess, der es ermöglicht, „das Nanopapier zu erhitzen, ohne die Strukturen des Papiers von der Nanoskala bis zur Makroskala zu beschädigen.“
Entwurf von 3D-Strukturen und Abstimmung elektrischer Eigenschaften
Die Forscher hinter diesem Durchbruch mussten zwei konkurrierende Herausforderungen ausgleichen. Erstens muss der Prozess es den Herstellern ermöglichen, das Nanopapier so zu „tunen“, dass es geeignete elektrische Eigenschaften hat für die spezifische Anwendung. Zweitens muss der Prozess schonend genug sein, damit Hersteller je nach Anwendung Strukturen mit viel Oberfläche und vielen Poren entwerfen können. Die Lösung war ein mehrstufiger Prozess, der ein hohes Maß an Kontrolle über die ermöglichtEndprodukt.
„Wir haben eine Jodbehandlung angewendet, die sehr effektiv zum Schutz der Nanostruktur des Nanopapiers war. Die Kombination mit einer räumlich kontrollierten Trocknung bedeutete, dass die Pyrolysebehandlung die entworfenen Strukturen nicht wesentlich veränderte und die gewählte Temperatur zur Steuerung der elektrischen Eigenschaften verwendet werden konnte”, sagt Materialwissenschaftler Hirotaka Koga , ein Co-Autor des Papiers.
Erste Tests zeigen vielversprechende Ergebnisse
Die Forscher verwendeten ihre neue Technik, um zwei relativ einfache Proof-of-Concept-Geräte zu erstellen. In einem Fall verwendeten sie den Nanopapier-Halbleiter als Sensor, um den Fluss von Wasserdampf durch zwei verschiedene Arten von Masken zu überwachenwaschbare Maske aus Stoff, der Sensor war in der Lage, Pulse aufzuzeichnen, die mit dem Ausatmen synchronisiert waren. Die Wassermoleküle im Atem des Trägers senkten vorübergehend den elektrischen Widerstand des Sensors. Wenn der Sensor an einer chirurgischen Maske angebracht war, zeichnete der Sensor solche Pulse nicht auf„Es wurde nur eine allmähliche Abnahme des Sensorwiderstands beobachtet, was auf die effektive Wasserdampfaufnahme der chirurgischen Maske hinweist“, so die Forscher.geschrieben.
Als die Forscher den Nanopapier-Halbleiter an einer Glukose-Biobrennstoffzelle befestigten, wurde das Material zeigte eine Leistungsdichte, die 14-mal höher war als die einer kommerziellen Graphitplatte.
„Die Strukturerhaltung und Einstellbarkeit, die wir zeigen konnten, ist sehr ermutigend für die Umsetzung von Nanomaterialien in praktische Geräte“, sagt Koga. „Wir glauben, dass unser Ansatz die nächsten Schritte in nachhaltige Elektronik vollständig aus pflanzlichen Materialien hergestellt.“