日本研究人員開發(fā)出一種納米纖維素紙半導(dǎo)體，其展現(xiàn)了3D結(jié)構(gòu)的納米—微米—宏觀跨尺度可設(shè)計(jì)性以及電性能的廣泛可調(diào)性。研究結(jié)果日前發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會(huì)核心期刊《ACS納米》上。

具有3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體納米材料擁有高表面積和大量孔隙，使其非常適合涉及吸附、分離和傳感的應(yīng)用。然而，同時(shí)控制電氣特性、創(chuàng)建有用的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)出色的功能和最終用途的多功能性，仍然具有挑戰(zhàn)性。

纖維素是一種源自木材的天然且易于獲取的材料。纖維素納米纖維(納米纖維素)可制成具有與標(biāo)準(zhǔn)A4紙張尺寸相似的柔性納米纖維素紙(納米紙)片材。納米紙不導(dǎo)電，但加熱可引入導(dǎo)電特性。不過，這種受熱也可能破壞納米結(jié)構(gòu)。

大阪大學(xué)研究人員與東京大學(xué)、九州大學(xué)和岡山大學(xué)合作，設(shè)計(jì)出一種處理工藝，使納米紙能夠加熱，又不會(huì)破壞從納米尺度到宏觀尺度的紙結(jié)構(gòu)。

“納米紙半導(dǎo)體的一個(gè)重要特性是可調(diào)性，因?yàn)檫@允許為特定應(yīng)用展開設(shè)計(jì)。”研究作者古賀博隆副教授解釋說，碘處理對(duì)保護(hù)納米紙的納米結(jié)構(gòu)非常有效。將其與空間控制的干燥相結(jié)合，意味著熱解處理不會(huì)顯著改變設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，并且可使用選定的溫度來控制電性能。

研究人員使用折紙和剪紙技術(shù)來提供納米紙?jiān)诤暧^層面的靈活性。他們將鳥和盒子折疊起來，沖壓出蘋果和雪花等形狀，并通過激光切割產(chǎn)生更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。這證明了新工藝可能達(dá)到的細(xì)節(jié)水平，以及熱處理沒有造成損壞。

成功應(yīng)用的例子是，納米紙半導(dǎo)體傳感器結(jié)合到可穿戴設(shè)備中，以檢測穿過口罩呼出的水分和皮膚上的水分。納米紙半導(dǎo)體也被用作葡萄糖生物燃料電池的電極，產(chǎn)生的能量點(diǎn)亮了一個(gè)小燈泡。

古賀博隆表示，新研究展現(xiàn)的將納米材料轉(zhuǎn)化為實(shí)際設(shè)備的結(jié)構(gòu)維護(hù)和可調(diào)性非常令人鼓舞，新方法為完全由植物材料制成的可持續(xù)電子產(chǎn)品的下一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

【總編輯圈點(diǎn)】

納米擁有神奇的魔法。當(dāng)一切深入到微觀層面，事情就會(huì)起變化，纖維素是一種天然材料，將納米纖維素制成紙張，你就擁有了一個(gè)可持續(xù)電子產(chǎn)品的雛形。怎樣讓這種納米紙產(chǎn)生電性能?答案是加熱。日本的科研人員用了碘處理的方法，讓納米紙?jiān)诒患訜岷笕阅芫S持其微觀和宏觀結(jié)構(gòu)，而根據(jù)溫度的不同，這種納米紙還能產(chǎn)生不同的導(dǎo)電性能。研究人員已將其初步應(yīng)用到了可穿戴設(shè)備中。雖然功能還不是特別完備，但未來若能擁有一件來自大自然的電子產(chǎn)品，也是很酷的一件事吧。(記者張夢然)