Создан первый в истории деревянный транзистор: на что он способен?
Команда, стоящая за инновацией, добавила в древесину специальный ингредиент, чтобы обойти низкую токопроводность материала. Но не стоит ждать, что в следующем поколении смартфонов появятся деревянные элементы – пока это лишь прототип. «Да, деревянный транзистор медленный и громоздкий, но он работает и имеет огромный потенциал для развития», — уверяет инженер-электрик Исак Энгквист из Университета Линчепинга.
Скромный транзистор является фундаментальным компонентом практически любой электронной технологии. Функционируя как крошечный «затвор», который управляет потоком одного тока через приложение другого, он может усиливать сигналы, хранить данные в виде цепочки переключателей или работать вместе для выполнения логических операций.
Все это он может делать благодаря свойству полупроводниковых материалов, которое позволяет им проводить ток только тогда, когда они сами достаточно заряжены.
Если первые транзисторы были неуклюжими объектами, которые можно было балансировать на кончике пальца, то сейчас на эту же площадь можно уместить десятки миллиардов нанотранзисторов. Но почему их нельзя изготовить из дерева?
Дело в том, что дерево не является полупроводником. Углеводные строительные блоки растительных волокон исключительно упрямы, когда дело доходит до того, чтобы подталкивать электроны. Один из способов обойти эту проблему — превратить древесину в кусок древесного угля, оставив относительно чисто углеродную магистраль, по которой может свободно течь электрический заряд.
Деревянная мощность
Но древесный уголь на самом деле не дерево, так что это не решение проблемы. Но что же делать в таком случае?
Используя бальзу из твердой древесины из-за ее относительно высокой прочности, низкой плотности и однородной структуры, Энгквист и его команда очистили ее от жесткого лигнина и заполнили оставшийся материал смешанным электронно-ионным проводящим полимером, называемым поли(3,4-этилендиокситиофен) или PEDOT:PSS.
В данном случае древесина действует скорее как корпус для проводящего материала, как беспорядочный пучок проводов. Эта идея также не нова: исследователи ранее исследовали идею использования растительного материала в качестве пористого контейнера для электрохимических и проводящих веществ. Энгквист опирался на этот опыт, пытаясь оптимизировать удаление лигнина, чтобы создать более эффективный канал для работы полимера, прежде чем анализировать проводящие свойства блока бальза-полимер.
Сложив блоки толщиной в миллиметр, которые работали как электроды и каналы, команда обнаружила, что может создать довольно грубый транзистор. При отсутствии напряжения всю конструкцию можно считать открытой, а переключатель установить в положение «включено». Подайте 6 вольт, и канал заполнится электронами, медленно сжимая канал и переводя переключатель в положение «выключено».
Выключение деревянного устройства занимает около 1 секунды, а возврат во включенное положение занимает примерно 5 секунд. Учитывая, что транзисторы в вашем компьютере работают со скоростью, измеряемой в гигагерцах, включая и выключая сотни миллиардов раз в секунду, придется вырубить на материалы целый лес.
Так в чем же смысл?
«Мы не создавали деревянный транзистор для какого-то конкретного применения. Мы сделали это, потому что могли. Это фундаментальное исследование, показывающее, что это возможно, и мы надеемся, что оно вдохновит на дальнейшие исследования, которые могут привести к приложениям в будущем», — признались ученые.
Помимо быстрых вычислений, биоразлагаемая электроника, изготовленная из легко собираемых ресурсов, может использоваться в удаленных датчиках, которые должны легко ломаться, или в незаметных устройствах, приводимых в действие движениями в окружающей среде. Кроме того, деревянные транзисторы не загрязняют окружающую среду и, при необходимости, их можно переработать на нужды целлюлозной промышленности.