木制晶体管扎根
硅一直在计算机领域扮演重要角色。这种元素因其低电阻、高稳定性和广泛的可用性而备受青睐。这些因素使这种自然界存在的物质成为快速、高效和经济的电子和数据传输的理想选择。
然而，一种新的电子技术已经出现。瑞典林雪平大学（Linköping University）和瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）的研究人员开发出了世界上第一种木头晶体管。尽管它离商业化功能设备还有很长的距离，并且并非旨在取代CMOS半导体，但这个概念的验证将为计算机技术开辟新的篇章。
基于植物的晶体管可以支持新型传感器和设备，并引入可堆肥的电子废物。林雪平大学有机电子学高级副教授伊萨克·恩奎斯特（Isak Engquist）说：“木纤维引入的完全不同的性质可能导致新型电子系统和与自然互动的新方式。”他还是2023年3月发表的论文《木材电化学晶体管中的电流调制》的合著者之一。
德国马普胶体与界面研究所所长、该论文的编辑彼得·弗拉茨尔（Peter Fratzl）补充道：“对植物材料的更深入了解——基于对这些天然材料结构和功能关系的深入研究——将为植物引入高价值的用途。这包括木材作为能量存储材料、透明木材，以及用作电池和电极模板的木结构。”
一种新的电子技术
近年来，生物和非生物界面之间的边界成为一个重要的研究领域。高度柔性的基于聚合物的有机电子已经出现在电话显示屏和其他设备中。然而，现在人们越来越关注在计算系统中将各种材料（从人类细胞到实际植物）结合起来。这可能会产生全新的计算方式。
林雪平大学有机生物电子学研究组组长丹尼尔·西蒙（Daniel T. Simon）表示，木质微结构和水运输通道——由自然过程模板化的高度复杂结构——是这项研究的基础。例如，木质晶体管可以引发一种全新的半导体，可能与树木和其他植物集成，用于测量污染物，或者程序化水果产量。
研究人员使用了巴尔萨木（Balsa wood），它具有天然的通道和一致分布的细胞结构，以支撑并调节持续流动的电流。该项目的首席研究员之一、博士生陈文清（Tran van Chinh）表示：“木材多孔结构使其非常适合离子传输和导电。”
团队通过去除树木中天然存在的含氧有机聚合物木质素将木材转化为晶体管。这个过程使结构只保留支撑电流通道的长纤维素纤维。然后，研究人员用一种叫做PEDOT:PSS的导电塑料填充通道。结果得到了一种可导电木材（CW），用它来构建一个木制电化学晶体管（WECT）。
过去，研究人员只能调节木材中的离子传输，无法构建一个完全可控的电路。该团队的突破为构建电化学晶体管提供了一个模板。恩奎斯特说：“木材非常有吸引力，因为它具有既能进行离子传输又能进行电子传输的通道，并且它可以被堆肥和分解。”
木材芯片进入高科技时代
尽管木质晶体管在速度和性能方面无法与硅相竞争——目前木质晶体管的运行频率仅为约1 Hz——但恩奎斯特和其他研究人员表示，这项技术可能改变人类与树木和植物的关系，同时引入全新的设备类型。他说：“有许多情况下速度并不重要。”
例如，带有木质电路的树木可以作为物联网（IoT）设备，使用嵌入式生活电路处理数据。西蒙认为，除了控制生长和初始化花果产量之外，该技术还可以释放新的纳米技术、可穿戴设备和医疗设备，甚至可以作为电池和超级电容器的有机能量存储系统。
木基电路与CMOS晶体管相比的一个重大优势是，水、盐和其他腐蚀性元素不会对性能产生不利影响或破坏电路。因此，木材或类似的生物基半导体可以在敏感环境中使用，例如人体内部或潮湿环境中。Simon表示：“这项技术可能会引领新的令人兴奋的应用领域。”
然而，WECT技术要在计算机世界产生重大影响可能需要数年时间才能发展起来。目前，Engquist、van Chinh和其他人仍在尝试不同类型的木材、细胞结构的不同方向以及将具有不同聚合物和导电性质的材料结合起来以实现不同的结果。
Engquist总结道：“这项研究是开发一种新型晶体管的第一步，它大大扩展了目前硅材料的可用性。”“在未来几年中，木质晶体管可能对电子设备和可持续性产生巨大影响。”
Samuel Greengard是一位居住在美国俄勒冈州西林市的作家和记者。
