Diagrama esquemático de la preparación del nano-semiconductor derivado de nanocelulosa de madera con propiedades eléctricas personalizables y estructuras 3D. Crédito:2022 Koga et al. Semiconductor de papel de nanocelulosa con una estructura de red 3D y su diseño nano-micro-macro trans-escala. ACS Nano
Los nanomateriales semiconductores con estructuras de red 3D tienen grandes áreas superficiales y muchos poros que los hacen excelentes para aplicaciones que involucran adsorción, separación y detección. Sin embargo, el control simultáneo de las propiedades eléctricas y la creación de estructuras útiles a escala micro y macro, mientras se logra una excelente funcionalidad y versatilidad de uso final, sigue siendo un desafío. Ahora, los investigadores de la Universidad de Osaka, en colaboración con la Universidad de Tokio, la Universidad de Kyushu y la Universidad de Okayama, han desarrollado un semiconductor de papel de nanocelulosa que proporciona una capacidad de diseño a escala nano-micro-macro de las estructuras 3D y una amplia capacidad de ajuste de las propiedades eléctricas. . Sus hallazgos se publican en ACS Nano .
La celulosa es un material natural y fácil de obtener derivado de la madera. Las nanofibras de celulosa (nanocelulosa) se pueden convertir en hojas de papel de nanocelulosa flexible (nanopapel) con dimensiones como las del A4 estándar. Nanopaper no conduce la corriente eléctrica; sin embargo, el calentamiento puede introducir propiedades conductoras. Desafortunadamente, esta exposición al calor también puede alterar la nanoestructura.
Por lo tanto, los investigadores han ideado un proceso de tratamiento que les permite calentar el nanopapel sin dañar las estructuras del papel desde la nanoescala hasta la macroescala.
"Una propiedad importante para el semiconductor de nanopapel es la capacidad de ajuste porque esto permite que los dispositivos se diseñen para aplicaciones específicas", explica el autor del estudio, Hirotaka Koga. "Aplicamos un tratamiento de yodo que fue muy efectivo para proteger la nanoestructura del nanopapel. La combinación de esto con el secado espacialmente controlado significó que el tratamiento de pirólisis no alteró sustancialmente las estructuras diseñadas y la temperatura seleccionada podría usarse para controlar las propiedades eléctricas".
( a ) Capacidad de ajuste amplia y sistemática de las propiedades eléctricas y ( b ) capacidad de diseño nano-micro-macro a escala trans de estructuras 3D del semiconductor preparado (denominado semiconductor de nanopapel). Crédito:2022 Koga et al. Semiconductor de papel de nanocelulosa con una estructura de red 3D y su diseño nano-micro-macro trans-escala. ACS Nano
Los investigadores utilizaron técnicas de origami (plegado de papel) y kirigami (corte de papel) para proporcionar ejemplos divertidos de la flexibilidad del nanopapel a nivel macro. Se doblaron un pájaro y una caja, se perforaron formas que incluían una manzana y un copo de nieve, y se produjeron estructuras más complejas mediante corte por láser. Esto demostró el nivel de detalle posible, así como la ausencia de daños causados por el tratamiento térmico.
Los ejemplos de aplicaciones exitosas mostraron sensores semiconductores de nanopapel incorporados en dispositivos portátiles para detectar la humedad exhalada que atraviesa las máscaras faciales y la humedad en la piel. El semiconductor de nanopapel también se usó como electrodo en una celda de biocombustible de glucosa y la energía generada encendió una pequeña bombilla.
Demostraciones de dispositivos utilizando el semiconductor de nanopapel. (a) Sensor portátil para monitorear el vapor de agua derivado de la exhalación humana que se filtra de las máscaras faciales. Mascarilla lavable:Se observaron pulsos de respuesta del sensor correspondientes a la respiración, lo que indica una fuga de vapor de agua de la mascarilla lavable. Mascarilla quirúrgica:solo se observó una disminución gradual en la resistencia del sensor, lo que indica la captura efectiva de vapor de agua de la mascarilla quirúrgica. (b) Célula de biocombustible de glucosa para la generación de energía. El semiconductor de nanopapel demostró una densidad de potencia 14 veces mayor que la de una hoja de grafito comercial y condujo a la iluminación de un LED rojo. Crédito:2022 Koga et al. Semiconductor de papel de nanocelulosa con una estructura de red 3D y su diseño nano-micro-macro trans-escala. ACS Nano
"El mantenimiento de la estructura y la capacidad de ajuste que hemos podido mostrar es muy alentador para la traducción de nanomateriales en dispositivos prácticos", dice el profesor asociado Koga. "Creemos que nuestro enfoque respaldará los próximos pasos en la electrónica sostenible hecha completamente de materiales vegetales".
El artículo, "Semiconductor de papel de nanocelulosa con una estructura de red 3D y su diseño nano-micro-macro a escala trans", se publicó en ACS Nano . La investigación de la electrónica basada en papel sigue avanzando
