世界第一个木制晶体管，有何用处？

现代计算机芯片中的晶体管直径只有几纳米，开关频率为数百千兆赫兹。用于生物降解应用的有机电化学晶体管的尺寸为毫米级，开关频率为千赫兹。世界上第一个木制晶体管是由瓦伦堡伍德科学中心的研究人员合作制造的，本周发表在《美国国家科学院出版物》上，它的直径为3厘米，开关频率小于1赫兹。虽然它可能不会很快为任何以木材为基础的超级计算机提供动力，但它确实有望用于特殊应用，包括可生物降解计算和植入活植物材料。

THOR BALKHED/林雪平大学

“这是由好奇心驱动的，”Linköping大学的教授伊萨克·恩格斯特(Isak Engquist)说，他领导了这项研究。“我们想:‘我们能做到吗?让我们这样做，让我们把它放在科学界，希望其他人也有一些东西，他们看到这些东西实际上可以在现实中使用。’”

尽管木制晶体管仍在等待它的杀手级应用，但制造木制电子产品的想法并不像听起来那么疯狂。最近一篇关于木质材料的综述写道:“大约3亿年的树木进化产生了6万多种木本物种，每一种都是大自然的工程杰作。”木材具有很强的结构稳定性，同时多孔性强，能有效地输送水分和营养物质。研究人员利用这些特性在木材的孔隙中创建导电通道，并在穿透性电解质的帮助下通过电化学方法调节其导电性。

在6万种木材中，研究小组选择了轻木，因为它的强度高，即使它的结构成分之一木质素被大部分去除，为导电材料腾出更多的空间。为了去除大部分木质素，将巴尔沙木片加热和化学处理5个小时。然后，将剩余的纤维素基结构涂上导电聚合物。研究小组尝试了几种聚合物，但发现一种被称为PEDOT:PSS的聚合物是最有效的，部分原因是它是水溶性的。由于木材内部的孔隙是用来输送水的，PEDOT:PSS溶液很容易通过管道扩散。电子显微镜和x射线成像结果显示，聚合物修饰了管结构的内部。由此产生的木块沿着其纤维导电。

为了组装晶体管，研究人员使用了三块导电木，每一块长3厘米，高和宽几毫米，排列成T形。T型管的顶部作为晶体管通道，一端是源极，另一端是漏极。通道被夹在两个“栅极”之间，形成了T的腿。在通道和栅极之间的接触点，他们分层了一层凝胶电解质。施加在栅极上的电压将电解液中的氢离子输送到聚合物中，引起改变聚合物导电性的化学反应。这种反应是可逆的，允许这种木制晶体管的开关操作。

这是一项原理验证工作，Engquist 说，应该可以设计出更高的电流和更小的设备。即便如此，它也不太可能成为复杂电子产品的基础。然而，它可能会用作其他组件的开/关开关，例如太阳能电池、电池或传感器，这些组件可能会被结合到木头中，无论是死的还是活的。“我有同事在我们称为电子植物的领域处于前沿，”恩奎斯特说，“他们试图将电子功能整合到有生命的植物中。我们在这个项目中使用了枯木，但下一步可能是将其也整合到活植物中。”

木制晶体管的一个潜在优势是它是自支撑的：它不需要印刷或沉积基板。有机电化学晶体管是针对生物传感和生物电子学应用进行大量研究的多功能设备，力求由可持续材料制成。然而，它们仍然需要非可持续来源的玻璃或其他基材。“如果我们真的转向可再生或基于森林或生物的材料，”林雪平大学生物电子学教授 Daniel Simon（未参与这项工作）说，“不仅作为添加剂，而且作为实际的结构组件的设备，我认为这开辟了一个非常有趣的空间。我相信这真的只是一个开始。”

也就是说，这些应用仍然是假设性的，研究人员说，这项工作是本着协作好奇心的精神完成的。“在这个项目中真正重要的是我们非常跨学科，”Engquist 说。“如果没有木质纤维素专家，我们就没有机会做到这一点。另一方面，他们绝不会想到将晶体管整合到他们以多种不同方式专业处理的木材中。所以只有当我们走到一起时，我们才能做到这一点，我非常希望在其他地方的这种合作能够对我们在这里所做的事情有所帮助。”

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