Elektronik aus der Natur: Forscher haben einen ersten Transistor aus Holz erstellt. Das aus Balsaholz und einem leitfähigen Polymer bestehende Elektronikbauteil ist zwar weder besonders klein noch besonders schnell. Der elektrochemische Holztransistor funktioniert aber prinzipiell wie ein normaler Transistor. Er demonstriert, dass sich Holz prinzipiell für den Einsatz in biobasierter Elektronik eignet – beispielsweise in Kombination mit Elektroden aus Blättern.
In der Elektronik geht es meist darum, möglichst kleine, leistungsfähige Bauteile zu erstellen. Doch zumindest für einige Anwendungen wie die Umweltüberwachung kann die Nutzung biologisch abbaubarer Komponenten von Vorteil sein. Wissenschaftler haben deshalb bereits einen kompostierbaren Superkondensator, eine essbare Batterie und Elektroden aus Pflanzenblättern konstruiert.
Balsaholz und leitfähiges Polymer
Jetzt kommt ein weiteres naturbasiertes Bauteil hinzu: ein Transistor aus Holz. „In einer Ära der grünen Technologien wird es sowohl komplexe, nanoskalige Elektronik als auch einfachere, größere Bauteile für spezielle Anwendungen wie Biosensing, die Biointegration und die biologische Abbaubarkeit geben“, erklären Van Chinh Tran von der Universität Linköping und seine Kollegen. Unter den naturbasierten Materialien biete Holz dabei besonders gute Voraussetzungen.
Für ihren Holztransistor nutzte die Forschenden Balsaholz, weil dieses besonders gleichmäßig strukturiert ist. Im ersten Schritt entfernten sie das Lignin durch eine chemische Vorbehandlung, so dass nur noch die poröse, von vielen Kanälen durchzogenen Zellulosestruktur übrigblieb. Diese Kanäle gossen sie dann mit dem häufig in organischer Elektronik eingesetzten leitfähigen Polymer PEDOT:PSS aus. Das Ergebnis war ein Holzmaterial mit einer Leitfähigkeit von rund 69 Siemens pro Meter.
Drei Holzstückchen als Transistor
Der eigentliche Transistor besteht aus drei rund einen Millimeter dünnen Holzstückchen, die kreuzförmig aufeinandergelegt und durch ein Zellstoffpapier getrennt werden. Zwei Holzstücke dienen dabei als Gate des Transistors, das dritte, querliegende als Kanal zwischen Source und Drain. Das Ganze wird mit einem Elektrolyt getränkt. „Der Holztransistor ist als elektrochemischer Doppelgatter-Transistor konfiguriert, in dem der Hauptprozess – die Reduktion und Oxidation des leitfähigen Polymers – in den Lumina des Transistorkanals stattfindet“, erklärt das Team.
Tests ergaben, dass dieser Holztransistor schalten und den Stromfluss verstärken kann wie ein herkömmlicher Transistor – wenn auch sehr langsam und nicht sonderlich leistungsstark. Das Abschalten dauert etwa eine Sekunde und das Anschalten bis zu fünf Sekunden. „Ja, der Holztransistor ist langsam und klobig, aber er funktioniert und er hat großes Potenzial“, sagt Seniorautor Isak Engquist von der Universität Linköping.
Machbarkeit demonstriert
Die Forschenden sehen in ihrem Holztransistor ein vielversprechendes Bauteil für bioelektronische Anwendungen wie beispielsweise pflanzenbasierte Sensoren oder elektronische Pflanzen. In erster Linie ging es ihnen jedoch darum, die generelle Machbarkeit solcher holzbasierten Bauteile zu demonstrieren. „Wir haben den Holztransistor nicht mit einer bestimmten Anwendung im Blick entwickelt. Stattdessen wollten wir zeigen, dass so etwas grundsätzlich möglich ist“, sagt Engquist. „Wir hoffen, dass dies zu weiterer Forschung in dieser Richtung anregt.“ (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023; doi: 10.1073/pnas.2218380120)
Quelle: Schwedischer Forschungsrat – The Swedish Research Council
