Κατασκευάστηκε το πρώτο ξύλινο τρανζίστορ στον κόσμο

Τα τρανζίστορ μέσα στα σύγχρονα τσιπ υπολογιστών έχουν διάμετρο αρκετών νανομέτρων και ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται με ταχύτητα εκατοντάδων γιγαχέρτζ. Τα οργανικά ηλεκτροχημικά τρανζίστορ, τα οποία κατασκευάζονται για βιοδιασπώμενες εφαρμογές, έχουν μέγεθος χιλιοστών και αλλάζουν σε ρυθμούς χιλιοχέρτζ. Το πρώτο ξύλινο τρανζίστορ στον κόσμο, που κατασκευάστηκε από μια συνεργασία ερευνητών μέσω του Wallenberg Wood Science Center και αναφέρθηκε αυτή την εβδομάδα στο περιοδικό Publications of the National Academy of Sciences, έχει διάμετρο 3 εκατοστά και αναβοσβήνει σε λιγότερο από ένα Hertz. Αν και μπορεί να μην τροφοδοτεί σύντομα υπερυπολογιστές με βάση το ξύλο, υπόσχεται εξειδικευμένες εφαρμογές, όπως βιοδιασπώμενη πληροφορική και εμφύτευση σε ζωντανό φυτικό υλικό. "Το κάναμε πιο πολύ από περιέργεια", λέει ο Isak Engquist, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Linköping που ηγήθηκε της προσπάθειας. "Σκεφτήκαμε: "Μπορούμε να το κάνουμε; Ας το κάνουμε, ας το παρουσιάσουμε στην επιστημονική κοινότητα και ας ελπίσουμε ότι κάποιος άλλος έχει κάτι όπου βλέπει ότι αυτά θα μπορούσαν να είναι πραγματικά χρήσιμα στην καθημερινότητα"."

Παρόλο που το ξύλινο τρανζίστορ περιμένει ακόμη την εφαρμογή που θα το απογειώσει, η ιδέα να κατασκευάσουμε ηλεκτρονικά με βάση το ξύλο δεν είναι τόσο τρελή όσο ακούγεται. Μια πρόσφατη ανασκόπηση των υλικών με βάση το ξύλο αναφέρει: "Περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια εξέλιξης των δέντρων έχουν δώσει πάνω από 60.000 ξυλώδη είδη, καθένα από τα οποία είναι ένα μηχανικό αριστούργημα της φύσης". Το ξύλο έχει μεγάλη δομική σταθερότητα, ενώ είναι ιδιαίτερα πορώδες και μεταφέρει αποτελεσματικά το νερό και τα θρεπτικά συστατικά. Οι ερευνητές αξιοποίησαν αυτές τις ιδιότητες για να δημιουργήσουν αγώγιμα κανάλια μέσα στους πόρους του ξύλου και να διαμορφώσουν ηλεκτροχημικά την αγωγιμότητά τους με τη βοήθεια ενός διεισδυτικού ηλεκτρολύτη.

Από τα 60.000 είδη, η ομάδα επέλεξε το ξύλο balsa για την αντοχή του, ακόμη και όταν ένα από τα συστατικά της δομής του - η λιγνίνη - αφαιρέθηκε σε μεγάλο βαθμό για να δημιουργηθεί περισσότερος χώρος για τα αγώγιμα υλικά. Για να αφαιρεθεί μεγάλο μέρος της λιγνίνης, κομμάτια ξύλου balsa υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με θερμότητα και χημικές ουσίες για πέντε ώρες. Στη συνέχεια, η εναπομείνασα δομή με βάση την κυτταρίνη επικαλύφθηκε με ένα αγώγιμο πολυμερές. Η ομάδα δοκίμασε διάφορα πολυμερή, αλλά βρήκε ένα γνωστό ως PEDOT:PSS να είναι το πιο αποτελεσματικό, εν μέρει επειδή είναι υδατοδιαλυτό. Δεδομένου ότι οι πόροι στο εσωτερικό του ξύλου είναι φτιαγμένοι για τη μεταφορά νερού, το διάλυμα PEDOT:PSS εξαπλώθηκε εύκολα μέσα στους σωλήνες. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία και η απεικόνιση του αποτελέσματος με ακτίνες Χ αποκάλυψαν ότι το πολυμερές διακοσμούσε το εσωτερικό των δομών των σωλήνων. Τα κομμάτια ξύλου που προέκυψαν ακολούθησαν τον ηλεκτρισμό κατά μήκος των ινών τους.

Για να συναρμολογήσουν ένα τρανζίστορ, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τρία κομμάτια αγώγιμου ξύλου, μήκους 3 εκατοστών το καθένα και ύψους και πλάτους μερικών χιλιοστών, τοποθετημένα σε σχήμα Τ. Η κορυφή του Τ χρησίμευσε ως κανάλι του τρανζίστορ, με μια πηγή στο ένα άκρο και μια εκροή στο άλλο. Το κανάλι βρισκόταν ανάμεσα σε δύο κομμάτια "πύλης", που αποτελούσαν το πόδι του Τ. Στα σημεία επαφής μεταξύ του καναλιού και των πυλών, τοποθετούσαν έναν ηλεκτρολύτη σε μορφή γέλης. Μια τάση που εφαρμόζεται στις πύλες παραδίδει ιόντα υδρογόνου από τον ηλεκτρολύτη στο πολυμερές, προκαλώντας μια χημική αντίδραση που αλλάζει την αγωγιμότητα του πολυμερούς. Η αντίδραση αυτή είναι αντιστρεπτή, επιτρέποντας τη λειτουργία on-off αυτού του τρανζίστορ με βάση το ξύλο.

Αυτή ήταν μια προσπάθεια απόδειξης της αρχής και, όπως λέει ο Engquist, θα πρέπει να είναι δυνατή η κατασκευή υψηλότερων ρευμάτων και μικρότερων συσκευών. Ακόμα κι έτσι, είναι απίθανο να χρησιμεύσει ως βάση για πολύπλοκα ηλεκτρονικά συστήματα. Ωστόσο, μπορεί να βρει χρήσεις ως διακόπτης on/off για άλλα εξαρτήματα, όπως ηλιακές κυψέλες, μπαταρίες ή αισθητήρες, που μπορούν να ενσωματωθούν σε ξύλο, νεκρό ή ζωντανό. "Έχω συναδέλφους που είναι πρωτοπόροι σε έναν τομέα που ονομάζουμε ηλεκτρονικά φυτά", λέει ο Enquist, "και προσπαθούν να ενσωματώσουν ηλεκτρονικές λειτουργίες σε ζωντανά φυτά. Για το έργο αυτό δουλέψαμε με νεκρά ξύλα, αλλά το επόμενο βήμα μπορεί να είναι η ενσωμάτωσή τους και σε ζωντανά φυτά".

Ένα πιθανό πλεονέκτημα του ξύλινου τρανζίστορ είναι ότι είναι αυτοφερόμενο: Δεν απαιτεί υπόστρωμα για να εκτυπωθεί ή να εναποτεθεί πάνω σε αυτό. Τα οργανικά ηλεκτροχημικά τρανζίστορ - ευπροσάρμοστες συσκευές που ερευνώνται σε μεγάλο βαθμό για εφαρμογές βιοανίχνευσης και βιοηλεκτρονικής - προσπαθούν να κατασκευάζονται από βιώσιμα υλικά. Ωστόσο, εξακολουθούν να απαιτούν γυαλί ή άλλα υποστρώματα που δεν προέρχονται από βιώσιμες πηγές. "Αν πραγματικά προχωρήσουμε σε ανανεώσιμα ή δασικά ή βιολογικά υλικά", λέει ο Daniel Simon, καθηγητής Βιοηλεκτρονικής στο Πανεπιστήμιο Linköping, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία, "όχι μόνο ως πρόσθετο, αλλά ως τα πραγματικά δομικά συστατικά της συσκευής, νομίζω ότι ανοίγει ένας πραγματικά ενδιαφέρων χώρος. Πιστεύω ότι αυτό είναι πραγματικά μόνο η αρχή". Τούτου λεχθέντος, οι εφαρμογές αυτές εξακολουθούν να είναι υποθετικές