科学家创造出世界首个木质晶体管

THOR BALKHED/LINKÖPING UNIVERSITY

电子器件的核心部件是晶体管，它可以控制电流的开关和大小，从而实现各种计算和信号处理功能。目前，晶体管的主要材料是硅，因为它具有良好的半导体特性，可以在微观尺度上制造出高性能的晶体管。

现代计算机芯片中的晶体管直径为几纳米，开关频率为数百吉赫兹。用于生物降解应用的有机电化学晶体管尺寸为毫米，开关频率为千赫。世界上第一个木制晶体管是由研究人员通过瓦伦堡木材科学中心（Wallenberg Wood Science Center）合作制造的，近日发表在了《美国国家科学院出版物》（https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2218380120）上，直径3厘米，开关频率不到1赫兹。虽然它可能不会很快为任何基于木材的超级计算机提供动力，但它确实有望用于专业应用，包括可生物降解的计算和植入活体植物材料。

领导这项工作的瑞典林雪平大学教授Isak Engquist说：“这是好奇心驱动的研究。我们试想，‘我们能做到吗？让我们把它分享给科学界吧，并且希望其他人能够在现实中应用它们’。”

尽管木制晶体管仍在等待它的杀手级应用，但制造木质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（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202006207）称，“大约3亿年的树木进化产生了6万多种木本植物，每一种都是大自然的工程杰作。” 木材具有很高的结构稳定性，同时具有高度多孔性，能够有效地输送水分和养分。研究人员利用这些特性在木材的孔隙内形成导电通道，并借助渗透性电解质以电化学方式调节其导电性。

在这6万种木材中，该团队选择轻木（balsa wood）是因为它的强度，即使其结构中的一种成分——木质素——已被大部分去除，以便为导电材料腾出更多空间。为了去除大部分木质素，将轻木块用热和化学物质处理 5 小时。然后，剩余的基于纤维素的结构被涂上导电聚合物。该团队尝试了几种聚合物，但他们发现了一种名为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，因此 PEDOT:PSS 溶液很容易通过管子扩散，电子显微镜和 X 射线成像显示聚合物装饰了管结构的内部，由此产生的木块沿着它们的纤维导电。

为了组装晶体管，研究人员使用了三块导电木头，每块木头长3厘米，高和宽为几毫米，排列成T形。.T的顶部用作晶体管沟道，一端为源极，另一端为漏极。通道夹在两个“门”片之间，形成T形的腿。在通道和门之间的接触点，研究人员将凝胶电解质分层。施加到栅极的电压将氢离子从电解质输送到聚合物中，引起化学反应，从而改变聚合物的电导率。这种反应是可逆的，允许这种基于木材的晶体管进行开关操作。

这是一项原理验证工作，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，它可能会被用作其他组件的开关，如太阳能电池、电池或传感器，这些组件可能被纳入木材中。Enquist说：“我有一些同事在我们称之为电子植物的领域走在最前沿，他们试图将电子功能集成到活植物中。我们已经为这个项目与枯木合作过，但下一步可能是将其也集成到活的植物中。”

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衬底。有机电化学晶体管的制造商对生物传感和生物电子学应用进行了大量研究，致力于用可持续材料制造多功能器件。然而，它们仍然需要玻璃或其他来源不可持续的基质。林雪平大学生物电子学教授Daniel Simon没有参与这项工作，他说：“如果我们真的转向可再生、森林或生物材料，不仅仅是作为添加剂，而是作为设备的实际结构部件，我认为这开辟了一个非常有趣的空间。我相信这只是一个开始。”

也就是说，这些应用程序仍然是假设的，研究人员说，这项工作是本着合作的好奇心进行的。Engquist说：“在这个项目中，真正重要的是我们是非常跨学科的研究。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，他们也从来没有想过在他们正在以多种不同的方式熟练处理的木材中加入晶体管。所以，只有当我们走到一起时，我们才能够做到这一步。” 这种木材电化学晶体管 (WECT) 可以为更具可持续性和可生物降解性的木质电子产品铺平道路。此外，木质电子产品可以对活植物进行电子控制。这项研究展示了木头作为一种新型电子材料的潜力和前景，也为电子器件的材料革命开辟了新的道路。