В конце января в Беларуси начал действовать обновленный Лесной кодекс. Согл...
Команда ученых из Европы уже давно изучает возможности дерева, позволяющие создавать экологичные электронные устройства, производство которых сопровождается меньшим выбросом газов, способствующих изменению климата. Их последним изобретением является транзистор, изготовленный из бальзового дерева.
Транзисторы действуют как мини переключатели, управляющие потоком электричества. Они используются для хранения и обработки данных. Их устанавливают в компьютерах и прочих устройствах. В современном ноутбуке транзисторов может быть огромное количество. Чтобы такое количество могло поместиться в корпусе, они должны быть миниатюрными – чуть толще нити ДНК.
Новый транзистор, созданный Исаком Энгквистом и его командой из шведского Университета Линчепинга, имеет достаточно большие размеры, чтобы его можно было увидеть и даже взять в руки. Он способен выдерживать лишь низкое напряжение, а его относительно большие габариты указывают на то, что его еще нельзя использовать в обычных компьютерах. Кроме того, принцип работы транзистора основывается на электрохимических принципах, то есть, током он управляет при помощи таких заряженных частиц, которые называются ионами.
С помощью новой технологии ученые демонстрируют «доказательство концепции» – идея способна работать, даже в том случае, когда новое устройство не совсем еще готово к использованию в современной электронике. Хотя по сегодняшним меркам новый транзистор довольно большой, он может все-таки быть полезным для электроники, требующей небольшого напряжения. Так считает Энгквист и с ним соглашается Дэниел Саймон, который также является физиком из Линчепинга, но в создании нового устройства он участия не принимал.
По словам Саймона, появление нового транзистора будет способствовать тому, что электронные устройства в будущем можно будет создавать в живых растениях. Он считает, что это может выглядеть так: с живого дерева сдирается кора и в живую древесину впечатываются электронные схемы.
Исак Энгквист говорит, что существует множество способов использования древесины, о которых раньше даже не догадывались. Например, это может быть датчик, изготовленный из дерева и позволяющий следить за состоянием сельскохозяйственных культур, контролировать уровень пожароопасности в лесу или уровень загрязнения.
Почему используют дерево
Как отмечает Гвидо Панзараса, сотрудник Технологического института в Цюрихе, «зеленая» электроника считается очень актуальной темой, поскольку относится к устройствам, мало зависящим от невозобновляемых источников.
Как правило, транзисторы изготавливаются из кремния. При таком производстве выделяется большое количество загрязняющих веществ. Прежде всего это двуокись углерода – газ, способствующий изменению климата. Еще выделяются оксиды азота, которые опасны для легких и усугубляют астму. В технологическом процессе по обработке кремния применяются фторсодержащие газы. Они в тысячу раз сильнее способствуют потеплению климата, чем двуокись углерода. Транзисторы, сделанные из дерева, позволят полностью отказаться от кремния.
Дерево в сухом виде не пропускает ток, поскольку является изолятором. Команда из Линчепинга придумала, как можно сделать так, чтобы древесина проводила электричество. Существует два способа. Во-первых, древесину можно обработать веществами, запускающими химическую реакцию, в результате которой дерево превращается в хороший проводник. Второй способ подразумевает использование структуры дерева для поддержки токопроводящих материалов. Именно эта идея была использована при создании нового транзистора.
Древесина – материал плотный, но пористый. В ее структуре присутствует множество каналов. По этим каналам перемещается влага, пока дерево растет. Каналы опустошаются, когда дерево высыхает. Ученые расширили эти каналы, удалив из них лигнин – вещество, помогающее деревьям расти в высоту.
Расширенные каналы заполнили электропроводящим материалом под названием PEDOT:PSS. Он является синтетическим химикатом, который используется в солнечных батареях и других устройствах. Этот полимер на микроскопическом уровне имеет вид длинной череды одинаковых молекул. Его можно использовать и в виде жидкости. Именно такую жидкость команда из Линчепинга залила во внутренние каналы дерева.
Принцип работы транзистора
При создании транзистора было использовано три небольших планки из обработанной древесины. Толщина каждой из них составляла 1 мм, а длина – 30 мм. Две планки имели ширину 5 мм, а третья – 2 мм. Более узкую разместили между двумя другими, а все три вместе образовали форму английской строчной буквы «t».
Каналы в средней части заполнили гелем-электролитом. Ток создавался за счет движения заряженных ионов, проходящих через электролит. Когда напряжение подавалось между нижним и верхним затворами, через электролит начинали перемещаться другие заряженные частицы, в результате чего изменялась проводимость канала в центре.
Фактически выключался поток ионов. Поэтому подавая и убирая напряжение на затворе, можно управлять силой тока, протекающего через среднюю часть. Таким образом устройство работает как электрический переключатель, а верхняя и нижняя части действуют как затвор.
Оптимизация процесса
Как заявляют ученые, создание оптимального дизайна нового устройства потребовало многих проб и ошибок. Прежде всего, нужно было найти наиболее подходящую древесину. Были протестированы сосна, ясень и бальза. Наилучшие результаты показала бальза. Электричество она проводит в 3 раза лучше, чем другие виды древесины. К тому же она менее плотная и каналы в ней также относительно больше.
Потребовалось также найти правильный способ удаления лигнина. Если его убрать слишком мало, электричество будет проводиться древесиной плохо, а если слишком много, то древесина быстро разрушится.
В будущем команда ученых хочет сделать свое устройство более совершенным. Они работают над тем, чтобы улучшить его характеристики. Например, сделать так, чтобы транзистор смог выдерживать более высокое напряжение.
Ученые подозревают, что PEDOT:PSS покрыл внутреннюю поверхность древесины неравномерно, поэтому хотят улучшить и этот показатель. По их мнению, это позволит транзистору проводить ток более эффективно. Также изучаются возможности удаления большего количества лигнина. В планах ученых есть использование других пористых материалов для изготовления транзисторов, чтобы сравнить и понять, действительно ли транзистор из бальзы является самым эффективным. Обсуждается даже возможность выращивания транзисторов внутри дерева.
