Elektronica groeit nu aan de bomen

De bevindingen zijn gepubliceerd in ACS Nano.

Halfgeleidende nanomaterialen met 3D-netwerkstructuren hebben grote oppervlakten en veel poriën waardoor ze zeer geschikt zijn voor toepassingen met adsorberen, scheiden en voelen (sensors). Het is echter nog een uitdaging om de elektrische eigenschappen te beheersen en tegelijkertijd bruikbare structuren op micro- en macroschaal te creëren, terwijl de functionaliteit en veelzijdigheid bij gebruik goed zijn. Nu hebben Japanse onderzoekers echter een halfgeleider van nanocellulosepapier ontwikkeld deze eigenschappen wel combineert.

Cellulose is een natuurlijk en gemakkelijk te verkrijgen materiaal dat is afgeleid van hout. Van cellulose-nanovezels (nanocellulose) kunnen vellen flexibel nanocellulosepapier 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 te beschadigen.

"Een belangrijke eigenschap van de halfgeleider van nanopapier is de afstembaarheid, omdat hiermee apparaten voor specifieke toepassingen kunnen worden ontworpen", zegt auteur Hirotaka Koga. "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, zorgde de pyrolysebehandeling ervoor dat de ontworpen structuren niet substantieel werden gewijzigd en kon de geselecteerde temperatuur worden gebruikt om de elektrische eigenschappen te regelen."

De onderzoekers gebruikten technieken uit de origami en kirigami (papier snijden) om speelse voorbeelden te geven van de flexibiliteit van het nanopapier. Ze vouwden een vogel en een doos en stansten vormen uit als een appel en sneeuwvlok. Ingewikkelder 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.

"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. "We geloven dat onze aanpak de volgende stappen zal ondersteunen in duurzame elektronica die volledig uit plantaardig materiaal is gemaakt."