Группа исследователей из Университета Осаки (Япония) разработала «бумажный» полупроводник на основе древесной наноцеллюлозы – с настраиваемыми электрическими свойствами и трехмерными структурами. Об этом сообщает Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Полупроводниковые наноматериалы с трехмерной сетчатой структурой имеют большую площадь поверхности и множество пор, что делает их превосходной основой для различных прикладных технологических решений, связанных с адсорбцией, разделением или сенсорными механизмами. Однако управление электрическими свойствами и создание полезных микро- и макроструктур при одновременном достижении превосходной функциональности и универсальности конечного использования все еще остается сложной задачей.
Теперь исследователи Университета Осаки в сотрудничестве со специалистами Токийского университета, университетов Кюсю и Окаяма разработали «бумажный» полупроводник из наноцеллюлозы, который обеспечивает возможность проектирования трехмерных структур в наноразмерных микро- и макро-масштабах и широкие возможности настройки электрических свойств. Выводы исследования опубликованы в ACS Nano.
Целлюлоза – 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 ее нагрев в определенных режимах способен придать ей проводящие свойства.
К сожалению, это тепловое воздействие также может и разрушить наноструктуру. Поэтому японские исследователи разработали такой процесс обработки, который позволяет им нагревать нанобумагу, не повреждая ее структуры как в наномасштабе, так и в макромасштабе.
«Важным свойством полупроводника из нанобумаги является настраиваемость, поскольку это позволяет разрабатывать устройства для конкретных прикладных задач», – объясняет автор исследования Хиротака Кога. Он поясняет: «Мы применили обработку йодом, которая оказалась очень эффективной для защиты структуры нанобумаги. Сочетание этого с пространственно контролируемой сушкой означало, что обработка пиролизом существенно не изменила спроектированные конструкции, а выбранную температуру можно было использовать для управления электрическими свойствами».
Примечательно, что исследователи использовали методы, заимствованные из японских традиций – оригами (складывание бумаги) и киригами (вырезание бумаги), чтобы представить практические примеры гибкости нанобумаги на макроуровне. «Птица» и «коробка» были сложены, другие фигуры, такие как «яблоко» и «снежинка», были вырезаны. Более сложные конструкции были созданы с помощью лазерной резки. Это продемонстрировало возможный уровень детализации, а также отсутствие повреждений, вызванных термической обработкой.
В итоге 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.
«Сохранение структуры и настраиваемость, которые мы смогли продемонстрировать, очень обнадеживают в плане возможностей преобразования наноматериалов в практические устройства. Мы считаем, что наш подход будет лежать в основе следующих шагов в области устойчивой электроники, полностью изготовленной из растительных материалов», – отмечает доцент Кога, один из ведущих авторов исследования.