Дерево 2.0. От компьютерных чипов до сенсорных экранов на основе древесины
Деревянный транзистор. Источник.
Давайте начистоту: для большинства людей «экологичность» ограничивается отказом от пакетов в супермаркете и выбором велосипеда вместо автомобиля, если ехать не очень далеко. А что, если бы можно было отказаться от пластика и металлов в электронике? Да, звучит, мягко говоря, безумно. Но разве может это остановить исследователей, которые экспериментируют с целлюлозными нанофибриллами? В этой статье посмотрим, как некоторые ученые видят деревянную электронику и станет ли «зеленое» цифровое устройство в ближайшее время возможным.
Изменяя молекулярную структуру различных полимеров, исследователи давно надеются получить принципиально новые материалы для печатных плат, сенсорных экранов и носимых устройств. И раз уж один из самых распространенным полимеров в природе — целлюлоза, почему бы не поэкспериментировать с ней?
Используйте навигацию, если не хотите читать текст полностью:
→ Прозрачное дерево
→ Электронные растения
→ Бумажные платы
→ Зеленая электроника
Прозрачное дерево
Начнем с того, о чем уже писали на Хабре, — с прозрачной древесины. В 2023 году вышел перевод публикации об отбеливании древесных клеток. Если коротко, то в конце ХХ века немецкий биолог Зигфрид Финк нашел способ отбеливания пигментов в растительных клетках. В 1992 году он опубликовал об этом статью в «Holzforschung» — узкоспециализированном журнале по технологиям обработки древесины.
Технология получения прозрачного дерева заключается в удалении лигнина («клея», удерживающего пучки клеток вместе и придающего древесине ее цвет) и заполнении образовавшихся воздушных карманов эпоксидной смолой. Последнее нужно, чтобы добиться одинакового коэффициента преломления света и сделать материал полностью прозрачным.
Интересно, что прозрачность — не единственная характеристика, которой удалось добиться исследователям. На удивление, обработанная таким образом древесина оказалась в разы прочнее пластика и стекла.
Технология получения прозрачной древесины. Источник.
Электронные растения
Казалось бы, человечество получило доступ к новому прочному материалу, пусть и экспериментальному. Можно придумать что-нибудь эдакое, скажем, в строительстве. Но помните, что мы начали с идеи экологичности и поиска новых материалов для электроники? Вот тут-то у ученых из Швеции появилась идея:, а почему бы не создать из дерева транзистор!
Еще на старте работы исследователи были готовы к тому, что если они и добьются успеха, их устройство может оказаться крупнее и медленнее традиционных транзисторов из полупроводниковых материалов. Но вместе с тем оно точно будет самым «зеленым». А благодаря высокой биосовместимости еще и для сельского или лесного хозяйства, например, хорошо подойдет.
Пора определиться с терминами, которые в изобилии будут далее:
- WECT — деревянный электрохимический транзистор (wood electrochemical transistor),
- OECT — органический электрохимический транзистор (organic electrochemical transistor),
- PEDOT: PSS — композитный материал с непроизносимым названием поли-3,4-этилендиокситиофен: полистиролсульфонат (в русскоязычных источниках можно встретить просто термин ПЭДОТ: ПСС, описываемый как высокопроводящий полимер).
Для создания деревянного транзистора (WECT) профессор Исак Энгквист из Линчепингского университета в Швеции и его коллеги использовали нагревание и химический процесс для удаления лигнина из кусков бальсы.
Первоначально команда пробовала березу и ясень. Но бальса оказалась идеальным вариантом благодаря сохранению своей структурной целостности после удаления лигнина, поглощению проводящего полимера и отсутствию значительной сезонной разницы между летней и зимней древесиной. Некоторые исследователи считают, что можно даже выращивать проводящую древесину с уже находящимся внутри полимером. Хотя остается вопрос, как добавлять новый полимер по мере роста дерева.
Затем они погрузили древесину в жидкий раствор, содержащий проводящий полимер, чтобы он впитался в нее. Это создало проводящую древесину, способную взаимодействовать с электролитами в качестве основы для создания древесного транзистора.
Были также попытки добиться электропроводности древесины путем ее карбонизации, но они не увенчались успехом.
Исследователи успешно продемонстрировали и измерили работу древесного транзистора во время нескольких тестов. Этот результат доказывает, что можно модулировать электропроводность электроактивной древесины, прикладывая внешнее напряжение. WECT работает по тому же принципу, что и двухзатворный OECT, где два затвора и канал транзистора изготовлены из делигнифицированной древесины.
A: удаление лигнина и пропитка древесины высокопроводящим полимером. B: изготовление электрохимического транзистора. C: деревянный транзистор спереди, вид спереди на его конфигурацию и вид древесного волокна в разрезе.Источник.
Модуляция тока происходит посредством электрохимического окисления / восстановления слоя высокопроводящего полимера. Хотя производительность устройства хуже, чем у обычного OECT на основе PEDOT: PSS, WECT наглядно демонстрирует возможность превратить древесину в функциональный транзистор. Заметную роль в этом процессе играет само строение дерева: все эти каналы и волокна позволяют контролировать и регулировать электронный ток.
Бальса, или бальсовое дерево. Источник.
Структура бальсы под микроскопом.
Разумеется, транзистор можно улучшить. Например, оптимизировав проводимость древесины или изменив конфигурацию устройства. Дополнительный простор для творчества предоставляет повышенная прочность прозрачной древесины. Наконец, ввиду большого интереса к исследованиям в области биоэлектроники, подобное устройство и его рабочий принцип могут стать ступенькой к различным новым разработкам.
Бумажные платы
Вернемся к влиянию электроники на окружающую среду. В 2019 году в мире было произведено рекордных 53 миллиона тонн электронных отходов. К 2030 году ожидается рост этой цифры до 82 миллионов тонн.
Кроме того, в том же 2019 году было переработано только около 20% мировых электронных отходов. А значительную их долю составляют печатные платы. Поскольку они представляют собой слоистую матрицу материалов — обычно смол, пластика и меди — их трудно перерабатывать.
Источник.
Чтобы разработать экологически чистую электронику, такую как датчики и печатные платы, доктор Валерио Бени из шведского исследовательского института RISE также переключил свое внимание на древесину. Он возглавляет исследовательский проект HyPELignum для изучения способов производства потребительской электроники с использованием материалов на основе древесины.
Команда HyPELignum разрабатывает два типа деревянных печатных плат. Первые сделаны из тонких слоев дерева. Вторые изготовлены из целлюлозных волокон, полученных из древесных отходов. Идея в обоих случаях проста: взять компоненты электроники с высоким содержанием углерода и заменить их на компоненты с низким.
Источник.
Схемы печатаются, а не протравливаются на деревянных платах с использованием проводящих металлических чернил, разработанных в рамках проекта. Эти чернила также содержат целлюлозу и биопластик, произведенный из древесины. В конце срока службы деревянные платы проще перерабатывать, чем обычные. Возможно, их даже можно будет компостировать.
Ключевая проблема переработки электроники — отделение компонентов от плат. Чтобы решить ее, исследователи HyPELignum разрабатывают термически и химически разлагаемые слои, которые можно разместить между деревом и печатными схемами. Когда они разрушаются в конце срока службы продукта, схемы и электрические компоненты отваливаются от дерева. Деревянная плата, металлическая схема и компоненты затем могут быть отправлены в различные потоки переработки.
Хотя здесь можно порассуждать о потенциальных проблемах такого подхода. Например, о надежности плат, в которых изначально предусмотрено расслоение компонентов через некоторое время.
Источник.
Сами разлагаемые слои также производятся из дерева, точнее из лигнина. По словам исследователей, такая «зеленая химия» выделяет гораздо меньше углекислого газа, поскольку использует биогенные материалы, которые можно возобновлять, а не ископаемое масло.
Кстати, удобно же получается: взяли дерево, ствол пустили на транзисторы, а извлеченный из него лигнин — на платы. По крайней мере, в теории и экспериментах.
Зеленая электроника
Woodoo — одна из компаний, использующих биохимию для создания устройств с применением дерева вместо стекла и пластика. В числе анонсированных продуктов, которые планируется изготавливать с использованием древесины, уже есть полупрозрачный светодиодный дисплей, сенсоры и различные устройства для освещения.
Творения Woodoo производятся путем извлечения воздуха и лигнина из клеток древесины, а затем заполнения пустых пор полимерами на основе биоматериалов. Их сырье — низкосортные породы дерева: бук, береза, сосна и осина. При этом древесину поставляют только из лесных хозяйств, расположенных в пределах 300 км от завода-изготовителя.
Woodoo утверждает, что их биоматериалы в 17 раз менее энергоемкие, чем стекло, в 130 раз — чем сталь и в 475 раз — чем алюминий. А еще они легкие. Цифровые компоненты на основе древесины в интеллектуальных автомобилях потенциально могут обеспечить уменьшение объема выхлопных газов. Но, честно говоря, тезис выглядит достаточно сомнительным. Чтобы сократить объем выделяемого CO2 за счет снижения веса автомобиля, мало заменить пару деталей на приборной панели.
Еще один сегмент электроники, в котором древесина может стать важным биоматериалом, — носимые устройства. Сейчас их изготавливают из небиоразлагаемых полимеров, но в 2021 году исследователи из Университета Миссури создали носимый материал на основе бумаги. Он воздухопроницаем, гибок и отталкивает жидкости. Красота же, ну! Более того, по сравнению с полимерами он легко разлагается почвенными грибками, бактериями и дрожжами в почве.
А исследователи Южно-Китайского технологического университета создали еще одну инновацию на основе древесины, разработав недорогой композитный электронный субстрат. Субстраты — это любые структурные элементы, которые поддерживают электронику в устройствах. Материал, по заявлению исследователей, обеспечивает механические свойства, как у пластика, и разлагаемость, как у бумаги. Он изготовлен из лигнина и наноцеллюлозы.
Древесину также можно использовать для изготовления основы компьютерных чипов, как продемонстрировали в 2015 году исследователи Висконсинского университета. Они утверждают, что их материал обладает той же производительностью, что и основа кремниевого чипа. Однако активные компоненты на таком деревянном чипе по-прежнему состоят из арсенида галлия — токсичного материала, который является типичным представителем опасных веществ в электронных системах.
В Новой Зеландии исследователи также создали гибкую электронную схему, которая основана на древесине вплоть до проводки. Подложка схемы изготовлена путем удаления лигнина и гемицеллюлозы из органического вещества. Проводка изготовлена из биочернил, которые используют углеродные нановолокна, полученные из лигнина. Интересно, что эта схема пригодна для вторичной переработки, поскольку она легко растворяется в воде.
Исследователи все еще работают над тем, как сделать материалы на основе древесины проводящими, чтобы они могли заменить металлы в цифровых схемах. Создание проводящих биоматериалов представляет собой самую большую проблему для исследователей в области зеленой электроники, но она не кажется непреодолимой.
