木質晶體管讓電子器件長在樹上

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由輕木制成的木制晶體管。圖片來源：Van Chinh Tran

一種由導電木材制成的電氣開關，可能成為未來嵌入活樹和其他植物中的電子設備的基石。相關研究成果近日發表于美國《國家科學院院刊》。

瑞典林雪平大學的Isak Engquist說：“有一個新興的研究領域叫做電子植物，科學家們正在研究在植物內部發送信號，或將傳感器等功能整合到植物中。”

Engquist和同事開發了一種相當于晶體管的木頭——一種可以增強電流或作為電信號開關的電子元件。一個指甲大小的計算機芯片包含數十億個由硅等半導體材料制成的微型晶體管。每一個半導體晶體管每秒可以開關數十億次。與硅晶體管相比，木制晶體管要大得多，每個長3厘米。它們的開關速度也要慢得多，只能在大約1秒內關閉，在大約5秒內打開。

但事實證明，木制晶體管在農業或林業的某些電子應用中更具可持續性和生物相容性，比如監測植物對環境壓力和氣候變化的抵抗力。

為了制造木制晶體管，Engquist和同事使用了加熱和化學方法從輕木片中去除木質素(木材和植物中的有機結合物質)。這個過程釋放了被稱為lumina的天然管道網絡內部和之間的空間，這些管道在木材中運輸水。

然后，他們將木材浸入含有導電聚合物的液體溶液中，讓聚合物浸入木材中并覆蓋在lumina上。這就創造出了能夠與電解質相互作用的導電木材。電解質是一種溶解在水中導電的化學物質，是制造木制晶體管的基礎。

研究人員在多次開關測試運行中演示木制晶體管的操作。沒有參與這項研究的印第安納州普渡大學的李田(音)表示，這代表了“利用木材作為支架的令人興奮的工程可能性”。

該團隊最初嘗試了幾種類型的木材，包括樺樹和白蠟樹。但事實證明，輕木具有應用這種方法的理想特征，包括在去除木質素后保持其結構完整性，毫無問題地吸收導電聚合物，并且夏季和冬季木材之間沒有顯著的季節差異。

Engquist說，研究人員最終可能會種植出含有聚合物的導電木材。這可能涉及使用不同的導電聚合物滲透木材，而不必首先去除木質素。

“最有可能的是，每一塊木頭或每一株植物都只包含幾個木質電化學晶體管，而且這些晶體管都是毫米大小的。”Engquist說。