A 3D-s hálózati struktúrákkal rendelkező félvezető nanoanyagok, mint amilyen a nanocellulózból készült papír, bár hasznosak bizonyos alkalmazások esetén, az elektromos tulajdonságok szabályozása eddig kihívást jelentett. Az Oszaka Egyetem kutatói a Tokiói Egyetemmel, valamint más japán egyetemekkel együttműködésben azonban kifejlesztettek egy olyan nanocellulóz papír félvezetőt, amely egyszerre biztosítja a 3D szerkezetek nano-mikro-makro szinteken történő, akár ezen szintek közötti keresztskálázási lehetőséget és az elektromos tulajdonságok széles körű hangolhatóságát.
Mindez talán első olvasatra kicsit bonyolult, szóval közelítsük meg máshonnét a kérdést: a cellulóz mindenki számára ismerős, könnyen beszerezhető, a fákból származó anyag. A cellulózból nanoszálak (nanocellulóz) készíthető, amelyet rugalmas nanocellulóz papírrá (nanopapír) lehet alakítani. Ezek mérete megegyezik a szabványos A4-es papírlapéval. Ez a nanopapír önmagában nem vezeti elektromos áramot, viszont melegítés hatására vezető tulajdonságok jelenhetnek meg ebben az anyagban. A probléma eddig az volt, hogy az ehhez szükséges hőhatás tönkretette a nanoszerkezetet.
A kutatók épp ezért megvalósították a fából vaskarikát – magyarán olyan kezelési eljárást dolgoztak ki, amely lehetővé teszi a nanopapír felmelegítését anélkül, hogy károsítaná a papír szerkezetét a nano-mérettől a makroskáláig. A kutatók ehhez jódos kezelést alkalmaztak, amit térben szabályozott szárítással kombináltak – a kiválasztott hőmérséklettel az elektromos tulajdonságokat lehetett szabályozni. Ez a szabályozhatóság pedig azért is fontos, mivel ez teszi lehetővé az eszközök speciális alkalmazásokhoz való tervezését.
A kutatók origami (papírhajtogatás) és kirigami (papírvágás) technikákat alkalmaztak, hogy játékos példákat nyújtsanak a nanopapír makroszintű rugalmasságáról: például madarat és egy dobozt hajtogattak, de lézervágással bonyolultabb szerkezeteket is készítettek. Mindez bizonyította a lehetséges részletezettséget, valamint azt is, hogy a hőkezelés nem károsította a struktúrát. Az anyagot aztán több alkalmazási területen is kipróbálták: a hordozható eszközökbe beépített nanopapír félvezető szenzorok például észlelték az arcmaszkokon áttörő kilégzett nedvességet és a bőrön megjelenő nedvességet is. A nanopapírt elektródaként is bevetették egy glükóz bioüzemanyag cellában, és a keletkezett energia egy kis izzót gyújtott meg.
Mint a kutatók elmondták, a jelenlegi eredmények alapján nagyon könnyen és széles körben, gyakorlati eszközökben is lehet ezt az anyagot használni, miközben az eljárás a kizárólag növényi anyagokból készült, fenntartható elektronikához is közelebb visz minket.
(A cikkhez használt kép illusztráció, forrása: Pixabay/BeccaH)
