Schéma de principe de la préparation du nano-semi-conducteur dérivé de nanocellulose de bois avec des propriétés électriques personnalisables et des structures 3D. Crédit :2022 Koga et al. Semi-conducteur en papier nanocellulosique avec une structure de réseau 3D et sa conception trans-échelle nano−micro−macro. ACS Nano
Les nanomatériaux semi-conducteurs avec des structures de réseau 3D ont des surfaces élevées et de nombreux pores qui les rendent excellents pour les applications impliquant l'adsorption, la séparation et la détection. Cependant, contrôler simultanément les propriétés électriques et créer des structures utiles à micro et macro échelle, tout en obtenant une excellente fonctionnalité et une polyvalence d'utilisation finale, reste un défi. Maintenant, des chercheurs de l'Université d'Osaka, en collaboration avec l'Université de Tokyo, l'Université de Kyushu et l'Université d'Okayama, ont développé un semi-conducteur en papier nanocellulosique qui offre à la fois une capacité de conception trans-échelle nano-micro-macro des structures 3D et une large accordabilité des propriétés électriques. . Leurs découvertes sont publiées dans ACS Nano .
La cellulose est un matériau naturel et facile à trouver dérivé du bois. Les nanofibres de cellulose (nanocellulose) peuvent être transformées en feuilles de papier nanocellulosique souple (nanopaper) aux dimensions similaires à celles du standard A4. Le nanopapier ne conduit pas de courant électrique; cependant, le chauffage peut introduire des propriétés conductrices. Malheureusement, cette exposition à la chaleur peut également perturber la nanostructure.
Les chercheurs ont donc imaginé un procédé de traitement qui permet de chauffer le nanopapier sans endommager les structures du papier de l'échelle nanométrique jusqu'à l'échelle macro.
"Une propriété importante du semi-conducteur nanopapier est l'accordabilité, car cela permet de concevoir des dispositifs pour des applications spécifiques", explique l'auteur de l'étude, Hirotaka Koga. « Nous avons appliqué un traitement à l'iode qui a été très efficace pour protéger la nanostructure du nanopapier. En combinant cela avec un séchage contrôlé dans l'espace, le traitement de pyrolyse n'a pas considérablement modifié les structures conçues et la température sélectionnée a pu être utilisée pour contrôler les propriétés électriques.
(a) Accordabilité large et systématique des propriétés électriques et (b) capacité de conception trans-échelle nano-micro-macro des structures 3D du semi-conducteur préparé (appelé semi-conducteur nanopapier). Crédit :2022 Koga et al. Semi-conducteur en papier nanocellulosique avec une structure de réseau 3D et sa conception trans-échelle nano−micro−macro. ACS Nano
Les chercheurs ont utilisé des techniques d'origami (pliage de papier) et de kirigami (découpage de papier) pour fournir des exemples ludiques de la flexibilité du nanopapier au niveau macro. Un oiseau et une boîte ont été pliés, des formes comprenant une pomme et un flocon de neige ont été découpées et des structures plus complexes ont été produites par découpe au laser. Cela a démontré le niveau de détail possible, ainsi que l'absence de dommages causés par le traitement thermique.
Des exemples d'applications réussies ont montré des capteurs à semi-conducteurs en nanopapier intégrés dans des appareils portables pour détecter l'humidité expirée traversant les masques faciaux et l'humidité sur la peau. Le semi-conducteur en nanopapier a également été utilisé comme électrode dans une pile à biocarburant à glucose et l'énergie générée a allumé une petite ampoule.
Démonstrations de dispositifs utilisant le nanopapier semi-conducteur. (a) Capteur portable pour surveiller la vapeur d'eau dérivée de l'exhalation humaine qui s'échappe des masques faciaux. Masque lavable :Des impulsions de réponse du capteur correspondant à la respiration ont été observées, indiquant une fuite de vapeur d'eau du masque lavable. Masque chirurgical :Seule une diminution progressive de la résistance du capteur a été observée, indiquant la capture efficace de la vapeur d'eau du masque chirurgical. (b) Biopile à glucose pour la production d'énergie. Le semi-conducteur en nanopapier a démontré une densité de puissance 14 fois supérieure à celle d'une feuille de graphite commerciale et a conduit à l'illumination d'une LED rouge. Crédit :2022 Koga et al. Semi-conducteur en papier nanocellulosique avec une structure de réseau 3D et sa conception trans-échelle nano−micro−macro. ACS Nano
"Le maintien et l'accordabilité de la structure que nous avons pu montrer sont très encourageants pour la traduction des nanomatériaux en dispositifs pratiques", déclare le professeur agrégé Koga. "Nous pensons que notre approche sous-tendra les prochaines étapes de l'électronique durable entièrement fabriquée à partir de matériaux végétaux."
L'article, "Nanocellulose paper semiconductor with a 3D network structure and its nano−micro−macro trans-scale design," a été publié dans ACS Nano . L'enquête sur l'électronique à base de papier continue de progresser
