Ηλεκτρονικά πλαστικά

Από σελίδα του Physics Web και του flash.gr

Εύκαμπτο φύλλο.

Τα πολυμερή που πρόσφατα δημιουργήθηκαν έχουν αυξημένες χρήσιμες ηλεκτρονικές ιδιότητες, ενώ όλα αυτά θα είναι κοντά μας στο αμέσως προσεχές μέλλον. Τα πλαστικά είναι υλικά που είναι γνωστά για τις εξαιρετικές τους μηχανικές ιδιότητες, όπως είναι η στρέψη, η ευκαμψία και η ηλεκτρική μόνωση. Μερικοί τύποι πλαστικών μπορεί να είναι ημιαγωγοί ή πλήρως αγωγοί του ηλεκτρισμού. Αυτά τα μη-μονωτικά πλαστικά υλικά ανήκουν στην κλάσση των καλουμένων conjugated πολυμερών. Οταν σε αυτά τα πολυμερή κάνουμε προσμίξεις, θα αποκτήσουν αγωγιμότητα, που ακόμη υπερβαίνει τις τιμές των πολύ γνωστών μας ανόργανων ημιαγωγών.

Οι τρείς Νομπελίστες του 2000 στην Χημεία, σε διεξοδικές έρευνες στο τέλος της δεκαετίας του '70, εφηύραν τα πλαστικά πολυμερή, πλαστικά που επαναλαμβάνουν τη δομή τους κανονικά σε μακριές αλυσίδες σαν τα μαργαριτάρια σε ένα περιδέραιο.

Ενώ μέχρι προσφατα όλοι πίστευαν πως τα πλαστικά είναι καλοί μονωτές, αλλιώς δεν θα τα χρησιμοποιούσαν για μόνωση των συρμάτων μέσα στα κοινά ηλεκτρικά καλώδια, μετά τις τελευταίες ανακαλύψεις όλοι άλλαξαν άποψη. Τα πλαστικά υπό κατάλληλες συνθήκες μπορούν να συμπεριφερθούν σαν μέταλλα.

Πώς μπορεί, όμως, το πλαστικό να γίνει αγώγιμο; Τα πολυμερή είναι ενώσεις αποτελούμενες από μεγάλα μόρια που συνίστανται από μικρότερες μονάδες, τα λεγόμενα μονομερή. Ο αριθμός των επαναλαμβανόμενων δομικών μονάδων χαρακτηρίζει το βαθμό πολυμερισμού. Υλικά που προκύπτουν από ένα μόνο είδος επαναλαμβανόμενης δομικής μονάδας, ονομάζονται ομοιοπολυμερή, ενώ τα πολυμερή που δημιουργούνται από διαφορετικές επαναλαμβανόμενες μονάδες, συμπολυμερή.

Για να γίνει ηλεκτρικά αγώγιμο ένα πολυμερές, θα πρέπει να μιμηθεί ένα μέταλλο, δηλαδή, τα ηλεκτρόνιά του χρειάζεται να είναι ελεύθερα για να μετακινούνται και όχι να είναι δεσμευμένα στα άτομα. Προϋπόθεση για αυτό είναι, να αποτελείται από εναλλακτικούς μονούς και διπλούς δεσμούς, που ονομάζονται συζυγιακοί διπλοί δεσμοί.

Δεν είναι όμως αρκετή η ύπαρξη συζυγιακών διπλών δεσμών. Για να γίνει ηλεκτρικά αγώγιμο το πλαστικό απαιτείται απομάκρυνση (οξείδωση) ή πρόσληψη (αναγωγή) ηλεκτρονίων, διαδικασία γνωστή ως doping.

Πρωταγωνιστικός παράγοντας στην έρευνα ήταν το πολυακετυλένιο, που προκύπτει από πολυμερισμό του ακετυλενίου. Οι δεσμοί στο μόριο του πολυακετυλενίου σχηματίζουν γωνία 120^o μεταξύ τους, και απαντάται σε δύο μορφές: τα ισομερή cis-πολυακετυλένιο και trans-πολυακετυλένιο.

Στις αρχές του 1970 ο Ιάπωνας χημικός Shirakawa ανακάλυψε ότι ήταν δυνατό να συνθέσει πολυακετυλένιο αλλάζοντας τις αναλογίες των cis και trans ισομερών σε μαύρη μεμβράνη πολυακετυλενίου. Με την προσθήκη καταλυτών και την αλλαγή των συνθηκών θερμοκρασίας η μεμβράνη πήρε ασημί χρώμα αποτελούμενη από καθαρό trans-πολυακετυλένιο, ενώ σε άλλη θερμοκρασία πήρε το χρώμα του χαλκού και ήταν cis-πολυακετυλένιο. Αυτή η ανακάλυψη ήταν αποφασιστικής σημασίας στο πείραμα του Shirakawa.

Σε ένα άλλο σημείο του πλανήτη, ο χημικός MacDiarmid και ο φυσικός Alan Heeger πειραματίζονταν με μεμβράνη μεταλλικής όψης, αποτελούμενη από το ανόργανο πολυμερές θειονιτρίδιο. Ο MacDiarmid μίλησε για αυτό σε ένα σεμινάριο στο Τόκιο. Η τυχαία συνάντηση του MacDiarmid και του Shirakawa σε ένα συνέδριο, όπου ο Ιάπωνας ανέφερε την ανακάλυψη του οργανικού πολυμερούς, ήταν αρκετό για να οδηγηθούν και οι τρείς στη βράβευση με Nobel.

Στο πανεπιστήμιο της Πεννσυλβάνια, άρχισαν να καταπιάνονται με την οξείδωση του πολυακετυλενίου με ιώδιο. Το αποτέλεσμα ήταν η αύξηση της αγωγιμότητας του νέου πολυμερούς δέκα εκατομμύρια φορές.

Η σπουδαία ανακάλυψή τους ήταν αποτέλεσμα εντυπωσιακής δουλειάς αλλά και τυχαίων περιστάσεων. Το καλοκαίρι του 1977 οι τρεις επιστήμονες δημοσίευσαν την ανακάλυψή τους, η οποία θεωρήθηκε μεγάλο επιστημονικό επίτευγμα, στην επιστημονική επιθεώρηση: ''The Journal of Chemical Society, Chemical Communications''. Από τότε το πεδίο έρευνας αναπτύχθηκε αλματωδώς βρίσκοντας ολοένα και περισσότερες τεχνολογικές εφαρμογές και 23 χρόνια μετά τη δημοσίευση, ακολούθησε και η βράβευση.

Εφαρμογές πλαστικών ηλεκτρονικών

Αν και οι συσκευές που χρησιμοποιούν πολυμερή δεν είναι κάτι νέο, στην πλειοψηφία των transistors που έχουν αναπτυχθεί, μόνο το ημιαγώγιμο μέρος της συσκευής είναι πολυμερές. Τα αγώγιμα μέρη του transistor, όπως είναι τα ηλεκτρόδια πηγή, πύλη και συλλέκτης, και η διηλεκτρική πύλη, φτιάχνονται ακόμη από συμβατικά ανόργανα υλικά.

Τώρα, ερευνητές της Philips στην Ολλανδία ανέπτυξαν την τεχνολογία να κάνουν τα transistors καθόλα πολυμερή, στα οποία όλα τα μέρη θα είναι από πλαστικό. Επίσης δουλεύουν για την εξέλιξη τους ώστε να χρησιμοποιηθούν και στα ολοκληρωμένα κυκλώματα.

Τα αγώγιμα πλαστικά βρίσκουν πολλές εφαρμογές όπως ως αντιστατικά υλικά στα φωτογραφικά φιλμ και ως προστατευτικό κάλυμμα στις οθόνες των υπολογιστών κατά της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Επίσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ηλιακών κυψελών, οθονών κινητών τηλεφώνων και φορητών τηλεοράσεων.

Οι πιό σπουδαίες ιδιότητες ή συνδυασμοί ιδιοτήτων είναι:

1. Αναπαραγώγιμος χημικός ή ηλεκτρολυτικός "διακόπτης" μεταξύ διαφορετικών αγώγιμων καταστάσεων του πολυμερούς.
2. Διαφάνεια σε λεπτές στρώσεις.
3. Χρώμα και αλλαγές χρώματος σε χημικά ή ηλεκτρολυτικά περιβάλλοντα.
4. Υψηλή ειδική αγωγιμότητα σε συγκέντρωση κόρου, γι' αυτό και έχει καλή προστασία από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβάσεις.