木材トランジスターが根付く

Wooden transistors take root.

シリコンは常にコンピューティングにおいて主要な役割を果たしてきました。その素材は低抵抗性、高い安定性、広範な入手性が評価されています。これらの要素により、この自然発生物質は電子とデータを迅速かつ効率的に、費用対効果の高い方法で輸送するのに理想的です。

しかし、新たな電子機器の分野が芽生えました。スウェーデンのリンシェーピング大学とKTHロイヤル工科大学の研究者たちは、世界で初めての木製トランジスタを開発しました。これはまだ商業的な機能的なデバイスとは程遠いものであり、CMOS半導体の代わりとして設計されているわけではありませんが、この概念の証明はコンピューティングに新たな展開を約束しています。

植物由来のトランジスタは、新しいタイプのセンサーやデバイスをサポートし、堆肥化可能な電子廃棄物を導入する可能性があります。「木材繊維は、自然との新しいやり取りの方法や新しいタイプの電子システムの可能性をもたらす、まったく異なる特性を持っています」と、リンシェーピング大学の有機エレクトロニクスの上級准教授であり、2023年3月の論文「木材電気化学トランジスタにおける電流変調」の共著者であるイサク・エングイスト氏は述べています。

論文の編集者であり、ドイツのマックス・プランク界面科学研究所の所長であるピーター・フラッツルは、「自然物質の構造と機能の関係に深い知識に基づいた植物材料のより理解された使用は、植物に高い価値のある用途をもたらすでしょう。これにはエネルギー貯蔵材料としての木材、透明木材、バッテリーや電極のテンプレートとしての木材構造が含まれます」と述べています。

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新たな電子機器の分野

生物学的および非生物学的インターフェースの境界は、最近の注目分野となっています。高い柔軟性を持つポリマーベースの有機エレクトロニクスはすでに電話ディスプレイなどに使用されています。しかし、現在では、さまざまな材料を計算システムに組み込むことに関心が高まっています。これには、人間の細胞から実際の植物までさまざまな材料が含まれます。これにより、まったく新しいタイプの計算が可能になるかもしれません。

木の微細構造や水の輸送路など、自然プロセスによってテンプレート化された非常に複雑な構造が、この研究の基盤となっています。リンシェーピング大学の有機バイオエレクトロニクスグループリーダーであるダニエル・T・サイモン氏は、「例えば、木製トランジスタは、汚染物質を測定するために木や他の植物と統合される全く新しいクラスの半導体につながる可能性があります」と述べています。

研究者たちは、天然に存在する水道や均一で一貫した細胞構造を持つバルサ材を使用して、連続的に流れる電気をサポートし調節するために木を利用しました。「木の多孔質構造はイオン輸送と導電性に非常に適しています」と、このプロジェクトの主要な研究者であるPh.D.学生であり、グループの学術論文の共著者でもあるトラン・ヴァン・チン氏は述べています。

チームは、木材からリグニンという天然に存在する酸素を含む有機高分子を取り除くことで、木材をトランジスタに変換しました。このプロセスにより、この構造には電気チャネルをサポートする長いセルロース繊維のみが残りました。その後、研究者たちは導電性プラスチックであるPEDOT:PSSでチャネルを埋めました。その結果、電気伝導性のある木材（CW）が作られ、木製電気化学トランジスタ（WECT）が構築されました。

過去の研究では、木材内でのイオン輸送を制御することしかできませんでした。しかし、このグループの突破口により、電気化学トランジスタの構築のためのテンプレートが提供されました。「木材は、イオン輸送と電子輸送の両方を処理できるチャネルを持っており、堆肥化および分解が可能であるため、非常に魅力的です」と、エングイストは述べています。

木材チップがハイテクに

木製トランジスタは、速度と性能の面ではシリコンには対抗できません。現時点では、木製トランジスタの動作はわずか1 Hzです。しかし、エングイストと他の研究者は、この技術が人間と木や植物の関係を変え、まったく新しいタイプのデバイスを導入する可能性があると言っています。「速度が重要でない場合が多くあります」と彼は述べています。

例えば、木の回路を持つ木々は、埋め込まれた生きた回路を使用してデータを処理するIoTデバイスとして機能することができます。サイモン氏は、成長のオンとオフの切り替えや花や果物の生産の初期化に加えて、この技術は新たなナノテクノロジーやウェアラブルデバイス、医療機器、またはバッテリーやスーパーキャパシタとして機能する有機エネルギー貯蔵システムを解放する可能性があると考えています。

木材ベースの回路がCMOSトランジスタよりも大きな利点を持っているとシモンは付け加えます。水、塩、および他の腐食性のある要素は、性能に悪影響を与えたり回路を破壊したりしません。その結果、木材や類似の生物ベースの半導体は、人体内や湿った環境などの感度の高い設定で使用することができます。「この技術はおそらく新しい興奮する応用分野につながるでしょう」とシモンは述べています。

それにもかかわらず、WECT技術が花開き、コンピューティング世界に重要な影響を与えるには数年かかるでしょう。現在、エングクイスト、ヴァン・チンなどは、異なる種類の木材、細胞構造の異なる方向性、および異なるポリマーと導電性を持つ材料を組み合わせて異なる結果を得るために実験を続けています。

「この研究は、現在のシリコンで利用可能なものを大幅に拡張する新しいタイプのトランジスタの開発における最初の重要なステップです」とエングクイストは結論付けています。「今後数年間、木材トランジスタはエレクトロニクスと持続可能性に巨大な影響を与える可能性があります。」

サミュエル・グリーンガードは、米国オレゴン州ウェストリンに拠点を置く著者およびジャーナリストです。

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