具有 3D 网络结构的半导体纳米材料具有高表面积和大量孔隙，非常适合吸附、分离和传感应用。然而，同时控制电性能并创建有用的微观和宏观结构，同时实现出色的功能和最终用途的多功能性仍然具有挑战性。现在，大阪大学的研究人员与东京大学、九州大学和冈山大学合作开发了一种纳米纤维素纸半导体，它既提供了 3D 结构的纳米微观宏观跨尺度可设计性，又提供了电性能的广泛可调性。他们的研究成果发表在ACS Nano上。

纤维素是一种天然且易于获取的材料，来源于木材。纤维素纳米纤维（纳米纤维素）可以制成柔性纳米纤维素纸（纳米纸），尺寸与标准 A4 纸相当。纳米纸不导电；但是，加热可以引入导电特性。不幸的是，这种暴露在热中也会破坏纳米结构。

因此，研究人员设计了一种处理工艺，可以加热纳米纸，而不会损坏纸张从纳米尺度到宏观尺度的结构。

“纳米纸半导体的一个重要特性是可调谐性，因为这使得设备能够针对特定应用进行设计，”研究作者 Hirotaka Koga 解释道。“我们采用了碘处理，这对保护纳米纸的纳米结构非常有效。结合空间控制干燥，意味着热解处理不会显著改变设计的结构，并且所选温度可用于控制电性能。”

研究人员使用折纸和剪纸技术，从宏观层面展示了纳米纸的柔韧性。研究人员折叠了一只鸟和一个盒子，冲压出苹果和雪花等形状，并通过激光切割制作出更复杂的结构。这证明了纳米纸的细节水平，以及热处理不会造成损坏。

成功应用的例子包括将纳米纸半导体传感器整合到可穿戴设备中，以检测穿过面罩的呼出水分和皮肤上的水分。纳米纸半导体还用作葡萄糖生物燃料电池的电极，产生的能量点亮了一个小灯泡。

使用纳米纸半导体的设备演示。（a）用于监测口罩泄漏的人体呼气水蒸气的可穿戴传感器。可洗口罩：观察到与呼吸相对应的传感器响应脉冲，表明可洗口罩有水蒸气泄漏。外科口罩：仅观察到传感器电阻逐渐下降，表明外科口罩有效捕获水蒸气。（b）用于发电的葡萄糖生物燃料电池。纳米纸半导体的功率密度比商用石墨片高 14 倍，并导致红色 LED 发光。

“我们能够展示的结构维持和可调性对于将纳米材料转化为实用设备非常令人鼓舞，”Koga 副教授说。“我们相信，我们的方法将为完全由植物材料制成的可持续电子产品的下一步奠定基础。”

该文章《具有三维网络结构的纳米纤维素纸半导体及其纳微宏跨尺度设计》发表在ACS Nano上。