الأخشاب! أول ترانزستور خشبي في العالم

يبلغ عرض الترانزستورات داخل رقائق الكمبيوتر الحديثة عدة نانومترات ، ويتم تشغيلها وإيقافها بمئات الجيجاهيرتز. الترانزستورات الكهروكيميائية العضوية ، المصنوعة للتطبيقات القابلة للتحلل البيولوجي ، بحجم ملليمترات وتتحول بمعدلات كيلوهرتز. أول ترانزستور خشبي في العالم ، تم صنعه بتعاون من الباحثين من خلال مركز Wallenberg Wood Science وتم الإبلاغ عنه هذا الأسبوع في منشورات الاكاديمية الوطنية للعلوميبلغ عرضه 3 سنتيمترات ويتحول عند أقل من هيرتز واحد. على الرغم من أنه قد لا يتم تشغيل أي أجهزة كمبيوتر عملاقة تعتمد على الخشب في أي وقت قريب ، إلا أنها تبشر بالخير للتطبيقات المتخصصة بما في ذلك الحوسبة القابلة للتحلل الحيوي والغرس في مواد نباتية حية.

يقول إيزاك إنجكويست ، الأستاذ في جامعة لينشوبينج ، الذي قاد هذا الجهد: “كان الدافع هو الفضول للغاية”. كنا نظن: “هل يمكننا أن نفعل ذلك؟ لنفعل ذلك ، فلنطرحه أمام المجتمع العلمي ونأمل أن يكون لدى شخص آخر شيئًا يرى أنه يمكن أن يكون مفيدًا في الواقع “.

لدي زملاء في الطليعة في مجال نسميه المصانع الإلكترونية. … لقد عملنا مع الأخشاب الميتة لهذا المشروع ، ولكن قد تكون الخطوة التالية هي دمجها أيضًا في النباتات الحية. “
– إيزاك إنجكويست ، جامعة لينشوبينغ

على الرغم من أن الترانزستور الخشبي لا يزال ينتظر تطبيقه القاتل ، فإن فكرة بناء إلكترونيات قائمة على الخشب ليست مجنونة كما تبدو. جاء في مراجعة حديثة للمواد ذات الأساس الخشبي أن “حوالي 300 مليون سنة من تطور الأشجار أسفرت عن أكثر من 60.000 نوع من الأخشاب ، كل منها تحفة هندسية للطبيعة”. يتمتع الخشب باستقرار هيكلي كبير مع كونه شديد المسامية وينقل المياه والمغذيات بكفاءة. استفاد الباحثون من هذه الخصائص لإنشاء قنوات موصلة داخل مسام الخشب وتعديل توصيلها الكهروكيميائي بمساعدة إلكتروليت مخترق.

من بين 60.000 نوع ، اختار الفريق خشب البلسا لقوتها ، حتى عندما تمت إزالة أحد مكونات هيكلها – اللجنين – إلى حد كبير لإفساح المجال لمزيد من المواد الموصلة. لإزالة الكثير من اللجنين ، تمت معالجة قطع من خشب البلسا بالحرارة والمواد الكيميائية لمدة خمس ساعات. بعد ذلك ، تم طلاء الهيكل المتبقي القائم على السليلوز ببوليمر موصل. جرب الفريق العديد من البوليمرات ، لكنهم وجدوا أن واحدًا يعرف باسم PEDOT: PSS هو الأكثر فاعلية ، جزئيًا لأنه قابل للذوبان في الماء. نظرًا لأن المسام الموجودة داخل الخشب مصنوعة لنقل المياه ، فإن محلول PEDOT: PSS ينتشر بسهولة عبر الأنابيب. كشف الفحص المجهري الإلكتروني والتصوير بالأشعة السينية للنتيجة أن البوليمر يزين الأجزاء الداخلية من هياكل الأنبوب. تقوم قطع الخشب الناتجة بتوصيل الكهرباء على طول أليافها.

لتجميع ترانزستور ، استخدم الباحثون ثلاث قطع من الخشب الموصلة ، طول كل منها 3 سنتيمترات وارتفاعها وعرضها عدة ملليمترات ، مرتبة على شكل حرف T. كان الجزء العلوي من T بمثابة قناة الترانزستور ، مع وجود مصدر في أحد طرفيه وتصريف في الطرف الآخر. كانت القناة محصورة بين قطعتين “بوابة” ، لتشكيل ساق T. عند نقاط التلامس بين القناة والبوابات ، قاموا بوضع طبقة من الإلكتروليت الهلامي. يعمل الجهد المطبق على البوابات على توصيل أيونات الهيدروجين من الإلكتروليت إلى البوليمر ، مما يتسبب في تفاعل كيميائي يغير موصلية البوليمر. هذا التفاعل قابل للعكس ، مما يسمح بالتشغيل المتقطع لهذا الترانزستور ذو الأساس الخشبي.

“أعتقد أن هذا يفتح مساحة مثيرة للاهتمام حقًا. هذه حقًا مجرد البداية على ما أعتقد “.
—دانيال سيمون ، جامعة لينشوبينج

كان هذا جهدًا لإثبات المبدأ ، وكما يقول إنجكويست ، ينبغي أن يكون من الممكن هندسة التيارات العالية والأجهزة الأصغر حجمًا. حتى مع ذلك ، من غير المرجح أن تكون بمثابة أساس للإلكترونيات المعقدة. ومع ذلك ، قد تجد استخدامات كمفتاح تشغيل / إيقاف للمكونات الأخرى ، مثل الخلايا الشمسية أو البطاريات أو المستشعرات ، التي قد يتم دمجها في الخشب ، الميت أو الحي. يقول إنكويست: “لدي زملاء في الطليعة في مجال نطلق عليه المصانع الإلكترونية ، ويحاولون دمج الوظائف الإلكترونية في النباتات الحية. لقد عملنا مع الأخشاب الميتة لهذا المشروع ، ولكن قد تكون الخطوة التالية هي دمجها أيضًا في النباتات الحية “.

من المزايا المحتملة للترانزستور الخشبي أنه ذاتي الدعم: فهو لا يتطلب طباعة أو ترسيب مادة سفلية عليه. ترانزستورات كهروكيميائية عضوية – أجهزة متعددة الاستخدامات تم بحثها بشكل مكثف لتطبيقات الاستشعار البيولوجي والإلكترونيات الحيوية – تسعى جاهدة لتكون مصنوعة من مواد مستدامة. ومع ذلك ، فإنها لا تزال بحاجة إلى زجاج أو ركائز أخرى لا يتم الحصول عليها بشكل مستدام. يقول دانيال سيمون ، أستاذ الإلكترونيات الحيوية في جامعة لينشوبينغ الذي لم يشارك في العمل ، “إذا انتقلنا حقًا إلى المواد المتجددة أو القائمة على الغابات أو المواد البيولوجية” ، “ليس فقط كمواد مضافة ، ولكن كمكونات هيكلية فعلية من الجهاز ، أعتقد أن هذا يفتح مساحة مثيرة للاهتمام حقًا. هذه حقًا مجرد البداية على ما أعتقد “.

ومع ذلك ، لا تزال هذه التطبيقات افتراضية ، ويقول الباحثون إن العمل تم بروح الفضول التعاوني. يقول Engquist: “ما كان مهمًا حقًا في هذا المشروع هو أننا كنا متعددي التخصصات للغاية”. “لم تكن لدينا فرصة للقيام بذلك بدون خبراء السليلوز الخشبي. ومن ناحية أخرى ، لم يفكروا أبدًا في دمج الترانزستورات في الخشب الذي يعالجونه بخبرة بطرق مختلفة. لذلك فقط عندما اجتمعنا معًا تمكنا من القيام بذلك ، وآمل بشدة أن يجد هذا النوع من التعاون في أماكن أخرى فائدة لما كنا نفعله هنا “.