Elektronica kan aan bomen groeien dankzij halfgeleiders van nanocellulosepapier

Schematisch diagram van de voorbereiding van de van hout nanocellulose afgeleide nano-halfgeleider met aanpasbare elektrische eigenschappen en 3D-structuren. Krediet: 2022 Koga et al. Halfgeleider papier van nanocellulose met een 3D-netwerkstructuur en zijn nano-micro-macro trans-scale ontwerp. ACS Nano

Halfgeleidende nanomaterialen met 3D-netwerkstructuren hebben grote oppervlakten en veel poriën waardoor ze uitstekend geschikt zijn voor toepassingen met adsorberen, scheiden en voelen. Het blijft echter een uitdaging om tegelijkertijd de elektrische eigenschappen te beheersen en bruikbare structuren op micro- en macroschaal te creëren, terwijl uitstekende functionaliteit en veelzijdigheid bij het eindgebruik worden bereikt. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Osaka, in samenwerking met de Universiteit van Tokyo, Kyushu University en Okayama University, een halfgeleider van papier van nanocellulose ontwikkeld die zowel nano-micro-macro trans-schaal ontwerpbaarheid van de 3D-structuren als brede afstembaarheid van de elektrische eigenschappen biedt. . Hun bevindingen zijn gepubliceerd in ACS Nano.

Cellulose is een natuurlijk en gemakkelijk te verkrijgen materiaal dat is afgeleid van hout. Van cellulose-nanovezels (nanocellulose) kunnen vellen flexibel nanocellulosepapier (nanopapier) worden gemaakt met afmetingen zoals die van standaard A4. Nanopapier geleidt geen elektrische stroom; verwarming kan echter geleidende eigenschappen introduceren. Helaas kan deze blootstelling aan warmte ook de nanostructuur verstoren.

De onderzoekers hebben daarom een ​​behandelingsproces bedacht waarmee ze het nanopapier kunnen verhitten zonder de structuren van het papier van nanoschaal tot macroschaal te beschadigen.

“Een belangrijke eigenschap van de halfgeleider van nanopapier is de afstembaarheid, omdat hiermee apparaten voor specifieke toepassingen kunnen worden ontworpen”, legt studieauteur Hirotaka Koga uit. “We hebben een jodiumbehandeling toegepast die zeer effectief was voor het beschermen van de nanostructuur van het nanopapier. Door dit te combineren met ruimtelijk gecontroleerd drogen betekende de pyrolysebehandeling de ontworpen structuren niet wezenlijk en kon de geselecteerde temperatuur worden gebruikt om de elektrische eigenschappen te regelen.”

(a) Brede en systematische afstembaarheid van de elektrische eigenschappen en (b) nano-micro-macro trans-schaal ontwerpbaarheid van 3D-structuren van de voorbereide halfgeleider (aangeduid als de nanopapier-halfgeleider). Krediet: 2022 Koga et al. Halfgeleider papier van nanocellulose met een 3D-netwerkstructuur en zijn nano-micro-macro trans-scale ontwerp. ACS Nano

De onderzoekers gebruikten origami (papier vouwen) en kirigami (papier snijden) technieken om speelse voorbeelden te geven van de flexibiliteit van het nanopapier op macroniveau. Een vogel en een doos werden gevouwen, vormen zoals een appel en sneeuwvlok werden uitgestanst en meer ingewikkelde structuren werden geproduceerd door lasersnijden. Dit toonde het mogelijke detailniveau aan, evenals het ontbreken van schade veroorzaakt door de warmtebehandeling.

Voorbeelden van succesvolle toepassingen toonden nanopapier-halfgeleidersensoren die zijn ingebouwd in draagbare apparaten om uitgeademd vocht dat door gezichtsmaskers breekt en vocht op de huid te detecteren. De halfgeleider van nanopapier werd ook gebruikt als elektrode in een glucose-biobrandstofcel en de opgewekte energie deed een klein lampje branden.

Apparaatdemonstraties met behulp van de halfgeleider van nanopapier. (a) Draagbare sensor voor het bewaken van menselijke uitademing afgeleide waterdamp die uit gezichtsmaskers is gelekt. Wasbaar masker: er werden sensorresponspulsen waargenomen die overeenkomen met de ademhaling, wat wijst op een lekkage van waterdamp uit het wasbare masker. Chirurgisch masker: Er werd slechts een geleidelijke afname van de sensorweerstand waargenomen, wat wijst op de effectieve waterdampvangst van het chirurgische masker. (b) Glucose biobrandstofcel voor energieopwekking. De halfgeleider van nanopapier vertoonde een vermogensdichtheid die 14 keer hoger was dan die van een commercieel grafietblad en leidde tot het oplichten van een rode LED. Krediet: 2022 Koga et al. Halfgeleider papier van nanocellulose met een 3D-netwerkstructuur en zijn nano-micro-macro trans-scale ontwerp. ACS Nano

“Het structuurbehoud en de afstembaarheid die we hebben kunnen aantonen, is zeer bemoedigend voor de vertaling van nanomaterialen naar praktische apparaten”, zegt universitair hoofddocent Koga. “Wij geloven dat onze aanpak de volgende stappen zal ondersteunen in duurzame elektronica die volledig van plantaardig materiaal is gemaakt.”

Het artikel, “Nanocellulose papier halfgeleider met een 3D-netwerkstructuur en zijn nano-micro-macro trans-scale ontwerp”, werd gepubliceerd in ACS Nano.