電子器件的核心部件是晶體管，它可以控制電流的開關(guān)和大小，從而實(shí)現(xiàn)各種計(jì)算和信號處理功能。目前，晶體管的主要材料是硅，因?yàn)樗哂辛己玫?a target="_blank">半導(dǎo)體特性，可以在微觀尺度上制造出高性能的晶體管。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片中的晶體管直徑為幾納米，開關(guān)頻率為數(shù)百吉赫茲。用于生物降解應(yīng)用的有機(jī)電化學(xué)晶體管尺寸為毫米，開關(guān)頻率為千赫。世界上第一個(gè)木制晶體管是由研究人員通過瓦倫堡木材科學(xué)中心（Wallenberg Wood Science Center）合作制造的，近日發(fā)表在了《美國國家科學(xué)院出版物》上，直徑3厘米，開關(guān)頻率不到1赫茲。雖然它可能不會很快為任何基于木材的超級計(jì)算機(jī)提供動力，但它確實(shí)有望用于專業(yè)應(yīng)用，包括可生物降解的計(jì)算和植入活體植物材料。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作的瑞典林雪平大學(xué)教授Isak Engquist說：“這是好奇心驅(qū)動的研究。我們試想，‘我們能做到嗎？讓我們把它分享給科學(xué)界吧，并且希望其他人能夠在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用它們’。”

盡管木制晶體管仍在等待它的殺手級應(yīng)用，但制造木質(zhì)電子產(chǎn)品的想法并不像聽起來那么瘋狂。最近一篇關(guān)于木質(zhì)材料的綜述稱，“大約3億年的樹木進(jìn)化產(chǎn)生了6萬多種木本植物，每一種都是大自然的工程杰作?！?木材具有很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)具有高度多孔性，能夠有效地輸送水分和養(yǎng)分。研究人員利用這些特性在木材的孔隙內(nèi)形成導(dǎo)電通道，并借助滲透性電解質(zhì)以電化學(xué)方式調(diào)節(jié)其導(dǎo)電性。

在這6萬種木材中，該團(tuán)隊(duì)選擇輕木（balsa wood）是因?yàn)樗膹?qiáng)度，即使其結(jié)構(gòu)中的一種成分——木質(zhì)素——已被大部分去除，以便為導(dǎo)電材料騰出更多空間。為了去除大部分木質(zhì)素，將輕木塊用熱和化學(xué)物質(zhì)處理 5 小時(shí)。然后，剩余的基于纖維素的結(jié)構(gòu)被涂上導(dǎo)電聚合物。該團(tuán)隊(duì)嘗試了幾種聚合物，但他們發(fā)現(xiàn)了一種名為PEDOT:PSS 的聚合物是最有效的，部分原因是它是水溶性的。由于木材內(nèi)部的孔隙是用來輸送水的，因此 PEDOT:PSS 溶液很容易通過管子擴(kuò)散，電子顯微鏡和 X 射線成像顯示聚合物裝飾了管結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，由此產(chǎn)生的木塊沿著它們的纖維導(dǎo)電。

為了組裝晶體管，研究人員使用了三塊導(dǎo)電木頭，每塊木頭長3厘米，高和寬為幾毫米，排列成T形。.T的頂部用作晶體管溝道，一端為源極，另一端為漏極。通道夾在兩個(gè)“門”片之間，形成T形的腿。在通道和門之間的接觸點(diǎn)，研究人員將凝膠電解質(zhì)分層。施加到柵極的電壓將氫離子從電解質(zhì)輸送到聚合物中，引起化學(xué)反應(yīng)，從而改變聚合物的電導(dǎo)率。這種反應(yīng)是可逆的，允許這種基于木材的晶體管進(jìn)行開關(guān)操作。

這是一項(xiàng)原理驗(yàn)證工作，應(yīng)該可以設(shè)計(jì)出更高的電流和更小的設(shè)備。即便如此，它也不太可能成為復(fù)雜電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。然而，它可能會被用作其他組件的開關(guān)，如太陽能電池、電池或傳感器，這些組件可能被納入木材中。Enquist說：“我有一些同事在我們稱之為電子植物的領(lǐng)域走在最前沿，他們試圖將電子功能集成到活植物中。我們已經(jīng)為這個(gè)項(xiàng)目與枯木合作過，但下一步可能是將其也集成到活的植物中?！?/span>

木制晶體管的一個(gè)潛在優(yōu)勢是它是自支撐的：它不需要印刷或沉積襯底。有機(jī)電化學(xué)晶體管的制造商對生物傳感和生物電子學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，致力于用可持續(xù)材料制造多功能器件。然而，它們?nèi)匀恍枰ＡЩ蚱渌麃碓床豢沙掷m(xù)的基質(zhì)。林雪平大學(xué)生物電子學(xué)教授Daniel Simon沒有參與這項(xiàng)工作，他說：“如果我們真的轉(zhuǎn)向可再生、森林或生物材料，不僅僅是作為添加劑，而是作為設(shè)備的實(shí)際結(jié)構(gòu)部件，我認(rèn)為這開辟了一個(gè)非常有趣的空間。我相信這只是一個(gè)開始?！?/p>

也就是說，這些應(yīng)用程序仍然是假設(shè)的，研究人員說，這項(xiàng)工作是本著合作的好奇心進(jìn)行的。Engquist說：“在這個(gè)項(xiàng)目中，真正重要的是我們是非常跨學(xué)科的研究。如果沒有木質(zhì)纖維素專家，我們就沒有機(jī)會做到這一點(diǎn)。另一方面，他們也從來沒有想過在他們正在以多種不同的方式熟練處理的木材中加入晶體管。所以，只有當(dāng)我們走到一起時(shí)，我們才能夠做到這一步?！?這種木材電化學(xué)晶體管 （WECT） 可以為更具可持續(xù)性和可生物降解性的木質(zhì)電子產(chǎn)品鋪平道路。此外，木質(zhì)電子產(chǎn)品可以對活植物進(jìn)行電子控制。這項(xiàng)研究展示了木頭作為一種新型電子材料的潛力和前景，也為電子器件的材料革命開辟了新的道路。