ساخت نیمه ‌هادی‌ها از چوب!

ایده ساخت نیمه هادی‌ها از چوب آن‌قدرها هم که به‌نظر می‌رسد دور از دسترس نیست. به این دلیل که دیواره‌های سلولی گیاهان از ماده‌ای به نام سلولز ساخته شده‌ است و اگر سلولز در شرایط معینی در دمای نسبتاً بالا گرما دهی شود، می‌تواند رسانای الکتریسیته شود.

اما یک مشکل بر سر راه این نانومواد تجدیدپذیر که نوعی نانوکاغذ است، وجود دارد. فرآیند سوزاندن که کربنیزاسیون یا کربن‌سازی نامیده می‌شود، می‌تواند به راحتی ساختارهای سه بعدی را که نیمه هادی‌های مشتق شده از سلولز را بسیار مفید می‌کنند، از بین ببرد. به همین دلیل است که فرآیند جدیدی که توسط محققان ژاپنی توسعه یافته، پیشرفت بزرگی است.

در مقاله‌ای که روز سه‌شنبه در مجله ACS Nano منتشر شد، محققان ژاپنی فرآیند تصفیه‌ای را توصیف کرده‌اند که امکان گرم کردن نانوکاغذ را بدون آسیب رساندن به ساختارهای کاغذ از مقیاس نانو تا مقیاس ماکرو فراهم می‌کند.

طراحی سازه‌های سه بعدی و تنظیم خواص الکتریکی

محققان این مطالعه باید بین دو چالش، تعادل برقرار می‌کردند. ابتدا این فرآیند باید به سازندگان اجازه دهد تا نانوکاغذ را طوری تنظیم کنند که خواص الکتریکی مناسب برای کاربردهای خاص داشته باشد. دوم اینکه این فرآیند باید به اندازه کافی ملایم باشد تا سازندگان بتوانند بسته به کاربرد آن، سازه‌هایی با سطح و منافذ زیاد طراحی کنند.

به گفته محققان، راه‌حل در توسعه یک فرآیند چند مرحله‌ای بود که کنترل زیادی بر محصول نهایی ارائه می‌داد.

«هیروتاکا کوگا» یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: ما از یک فرآوری ید استفاده کردیم که برای محافظت از نانوساختار نانوکاغذ بسیار مؤثر بود. ترکیب این روش با خشک‌ کردن کنترل‌شده به این معنی است که عملیات پیرولیز، ساختارهای طراحی‌شده را به شکل قابل‌توجهی تغییر نمی‌دهد و دمای انتخاب‌ شده می‌تواند برای کنترل خواص الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد.

نتایج امیدوارکننده آزمایشات اولیه

محققان از روش جدید خود برای ایجاد دو دستگاه اثبات مفهوم نسبتاً ساده استفاده کردند. در یک مورد، آن‌ها از نیمه هادی نانوکاغذ به عنوان حسگر برای نظارت بر جریان بخار آب از طریق دو نوع مختلف ماسک استفاده کردند. هنگامی که این حسگر به یک ماسک قابل شستشو ساخته شده از پارچه متصل شد، قادر به ثبت پالس‌هایی بود که با بازدم هماهنگ شده بودند. مولکول‌های آب موجود در نفس کاربر به طور موقت مقاومت الکتریکی حسگر را کاهش داد و وقتی به یک ماسک جراحی متصل شد، حسگر چنین پالس‌هایی را ثبت نمی‌کرد.

محققان می‌گویند: تنها کاهش تدریجی مقاومت حسگر مشاهده شد که نشان‌دهنده جذب مؤثر بخار آب از ماسک جراحی است.

هنگامی که محققان این نیمه هادی نانوکاغذ را به سلول سوخت زیستی گلوکز متصل کردند، این ماده چگالی توانی 14 برابر بیشتر از یک ورق گرافیت تجاری را نشان داد.

کوگا می‌گوید: نگهداری ساختار و تنظیم‌پذیری که ما در این مطالعه توانستیم نشان دهیم برای تبدیل نانومواد به دستگاه‌های عملی بسیار دلگرم‌کننده است. ما معتقدیم که رویکرد ما زیربنای گام‌های بعدی در الکترونیک پایدار خواهد بود که کاملاً از مواد گیاهی ساخته شده است.