Электроника, полностью созданная из растительных материалов, благодаря последним исследованиям из разряда фантастики может перейти в действительность. Ученые в разных концах мира работают над созданием полупроводников из целлюлозы. Зарядить телефон от бумажной батарейки пока нельзя, но на будильник уже хватает.
Электронные отходы за последние десятилетия стали самым быстро растущим потоком отходов в мире. Очевидно, что они наносят немалый вред окружающей среде, поэтому инженеры и технологи активно ищут варианты сделать электронику более экологичной.
Одно из направлений, в котором уже достигнут определенный прогресс — это развитие экологически чистых технологий энергоснабжения: биоразлагаемые фотоэлементы, системы хранения энергии и суперконденсаторы. Аккумуляторы становятся всё более энергоемкими, повышаются скорость их зарядки, стабильность и срок работы.
Однако есть и другое направление — использование новых и нетрадиционных материалов. В частности, целлюлозы, которая столетиями использовалась как носитель письменной информации. А теперь сразу несколько разработок представляют ее в электронных схемах и в качестве основы для элементов питания.
Швейцарские ученые создали одноразовую бумажную батарейку, которая активируется водой. В качестве биоразлагаемого металлического анода в ней используется цинк, в качестве нетоксичного катодного материала — графит, и бумага — как биоразлагаемый субстрат. Батарейка остается неактивной, пока не соприкоснется с водой.
Изготавливается такая батарея методом печати, то есть все необходимые вещества наносятся с двух сторон на прямоугольную полоску бумаги в виде специально разработанных чернил. Это, помимо прочего, дает возможность для брендирования или другого дизайна. В частности, опытный экземпляр нес на себе название научного института.
Активируется устройство погружением фитиля в воду или любой другой водный раствор. В ходе эксперимента батарея заработала через 20 секунд после добавления двух капель воды и достигла стабильного напряжения 1,2 вольта (напряжение стандартной щелочной батарейки АА — 1,5 вольт). Через час производительность опытного образца снизилась из-за высыхания бумаги, однако после добавления еще двух капель воды, восстановилась и проработала еще час.
Аккумулятор может питать маломощную электронику — например, будильник с жидкокристаллическим дисплеем, интеллектуальные этикетки или датчики окружающей среды.
Авторы предполагают, что биоразлагаемость бумаги и цинка позволит свести к минимуму воздействие одноразовой маломощной электроники на экологию. В дальнейшем ученые собираются работать над повышением производительности и времени работы таких батареек.
Португальские ученые также решили использовать бумагу в качестве главного материала при создании электронных устройств. Они разработали на основе целлюлозы нанобумагу, обладающую высокой гибкостью, прочностью и очень гладкой поверхностью. Сама она является диэлектриком и не пропускает ионы. Но команда показала: растворив целлюлозу в чем-то, что пропускает через нее электричество (например, в жидком литии), можно создать смешанный материал. А он, в свою очередь, уже будет накапливать энергию и проводить электрический ток.
Эту нанобумагу также можно использовать для печати на ней чернилами из оксида цинка — широко доступного и нетоксичного полупроводника. Команда также разработала уникальную формулу чернил, которая сама содержит целлюлозу. Это позволило печатать слои без энергозатратного этапа «спекания».
Луис Перейра, доцент Нового университета Лиссабона, автор изобретения:
«Мы можем печатать слои ZnO, способные давать транзисторы со значительной механической прочностью и хорошими электрическими характеристиками. Наша технология может предложить решение для разработки инновационных и устойчивых интеллектуальных упаковочных материалов на основе целлюлозы, способных предоставлять информацию потребителю и контролировать качество продукта и условия хранения».
Ученые доказали, что их устройства отвечают принципам циркулярной экономики. При растворении в воде нанобумага дала целлюлозу, из которой опять можно сделать такую же нанобумагу. Чернила также отделяются в воде и поддаются переработке и повторному использованию.
Созданием полупроводниковых материалов на основе целлюлозы занимаются и в японских университетах. Группа ученых создала полупроводниковую бумагу, которую можно адаптировать для различных целей. Она может принимать различную форму и менять свойства электропроводности. А значит, данное изобретение пригодно для многих устройств — от датчиков водяного пара до электродов в биотопливных элементах.
Очевидно, что возможность использования целлюлозы в батареях привлекает многих исследователей. Но пока что они находятся в самом начале пути, а лабораторные образцы еще непригодны для повседневной жизни. Однако все эти разработки являются важной вехой в создании устойчивых полупроводниковых материалов.
По материалам: advancedsciencenews.com, pubs.acs.org, physicsworld.com, eurekalert.org, nature.com
