Diagramma schematico della preparazione del nano-semiconduttore derivato dalla nanocellulosa del legno con proprietà elettriche personalizzabili e strutture 3D. Credito:2022 Koga et al. Semiconduttore in carta di nanocellulosa con una struttura di rete 3D e il suo design trans-scala nano-micro-macro. ACS Nano
I nanomateriali semiconduttori con strutture di rete 3D hanno aree superficiali elevate e molti pori che li rendono eccellenti per applicazioni che coinvolgono l'assorbimento, la separazione e il rilevamento. Tuttavia, il controllo simultaneo delle proprietà elettriche e la creazione di utili strutture su micro e macro scala, ottenendo al contempo un'eccellente funzionalità e versatilità nell'uso finale, rimane una sfida. Ora, i ricercatori dell'Università di Osaka, in collaborazione con l'Università di Tokyo, l'Università di Kyushu e l'Università di Okayama, hanno sviluppato un semiconduttore in carta di nanocellulosa che fornisce sia la designabilità nano-micro-macro transscala delle strutture 3D che un'ampia sintonizzabilità delle proprietà elettriche . I loro risultati sono pubblicati su ACS Nano .
La cellulosa è un materiale derivato dal legno naturale e facile da reperire. Le nanofibre di cellulosa (nanocellulosa) possono essere trasformate in fogli di carta nanocellulosica flessibile (nanocarta) con dimensioni simili a quelle dello standard A4. Nanopaper non conduce corrente elettrica; tuttavia, il riscaldamento può introdurre proprietà conduttive. Sfortunatamente, questa esposizione al calore può anche alterare la nanostruttura.
I ricercatori hanno quindi ideato un processo di trattamento che permette loro di riscaldare la nanocarta senza danneggiare le strutture della carta dalla nanoscala fino alla macroscala.
"Una proprietà importante per il semiconduttore di nanocarta è la sintonizzabilità perché ciò consente di progettare dispositivi per applicazioni specifiche", spiega l'autore dello studio Hirotaka Koga. "Abbiamo applicato un trattamento con iodio che era molto efficace per proteggere la nanostruttura della nanocarta. La combinazione di questo con l'essiccazione controllata spazialmente significava che il trattamento di pirolisi non alterava sostanzialmente le strutture progettate e la temperatura selezionata poteva essere utilizzata per controllare le proprietà elettriche".
(a) sintonizzabilità ampia e sistematica delle proprietà elettriche e (b) designabilità trans-scala nano-micro-macro delle strutture 3D del semiconduttore preparato (indicato come semiconduttore di nanocarta). Credito:2022 Koga et al. Semiconduttore in carta di nanocellulosa con una struttura di rete 3D e il suo design trans-scala nano-micro-macro. ACS Nano
I ricercatori hanno utilizzato le tecniche di origami (piegatura della carta) e kirigami (taglio della carta) per fornire esempi giocosi della flessibilità della nanocarta a livello macro. Un uccello e una scatola sono stati piegati, forme tra cui una mela e un fiocco di neve sono state perforate e strutture più complesse sono state prodotte mediante taglio laser. Ciò ha dimostrato il livello di dettaglio possibile, nonché l'assenza di danni causati dal trattamento termico.
Esempi di applicazioni di successo hanno mostrato sensori semiconduttori in nanocarta incorporati in dispositivi indossabili per rilevare l'umidità esalata che si rompe attraverso le maschere facciali e l'umidità sulla pelle. Il semiconduttore di nanocarta è stato utilizzato anche come elettrodo in una cella a biocombustibile di glucosio e l'energia generata ha acceso una piccola lampadina.
Dimostrazioni di dispositivi utilizzando il semiconduttore nanopaper. (a) Sensore indossabile per il monitoraggio del vapore acqueo derivato dall'espirazione umana fuoriuscito dalle maschere facciali. Maschera lavabile:sono stati osservati impulsi di risposta del sensore corrispondenti alla respirazione, che indicano una perdita di vapore acqueo dalla maschera lavabile. Maschera chirurgica:è stata osservata solo una graduale diminuzione della resistenza del sensore, indicando l'effettiva cattura del vapore acqueo della maschera chirurgica. (b) Cella a biocombustibile di glucosio per la produzione di energia. Il semiconduttore di nanocarta ha dimostrato una densità di potenza 14 volte superiore a quella di un foglio di grafite commerciale e ha portato all'illuminazione di un LED rosso. Credito:2022 Koga et al. Semiconduttore in carta di nanocellulosa con una struttura di rete 3D e il suo design trans-scala nano-micro-macro. ACS Nano
"Il mantenimento della struttura e la messa a punto che siamo stati in grado di mostrare sono molto incoraggianti per la traduzione di nanomateriali in dispositivi pratici", afferma il Professore Associato Koga. "Riteniamo che il nostro approccio sosterrà i prossimi passi nell'elettronica sostenibile realizzata interamente con materiali vegetali."
L'articolo, "Nanocellulose paper semiconductor with a 3D network structure and its nano−micro−macro trans-scale design", è stato pubblicato su ACS Nano . + Esplora ulteriormente
