Vodljivi polimeri temelj su elektronike 21. stoljeća. Sažetak Električno vodljivi polimeri: struktura, svojstva, primjena

Uvod 3
1. Struktura elektrovodljivih polimera 3
2. Svojstva polimera 5
2.1 Električna svojstva 6
2.2 Električna vodljivost 7
2.3 Svojstva nekih materijala 8
2.3.1 Poliacetilen 8
2.3.2 Svojstva polipirola 9
2.3.3 Svojstva polianilina 10
3. Strukture raznih vodljivih organskih polimera 11
3.1 Metode dobivanja 11
4. Primjena polimernih materijala 12
4.1 Primjena dopiranih polimera 14
4.2 Specifične primjene u raznim industrijama 15
Zaključak 17
Reference 18

Uvod
Električno vodljivi polimeri su organski polimeri koji mogu biti ili poluvodiči ili vodiči (poput metala). Vodljivi polimeri kombiniraju fleksibilnost i čvrstoću plastike s električno vodljivim svojstvima metala i nude ogroman potencijal za praktičnu primjenu. Glavna prednost elektrovodljivih polimera je njihova proizvodnost, jer oni su plastični i stoga mogu kombinirati mehanička svojstva kao što su fleksibilnost, čvrstoća, savitljivost, elastičnost itd. s visokom električnom vodljivošću. Njihova se svojstva mogu fino prilagoditi pomoću posebne metode organska sinteza.

1. Struktura elektrovodljivih polimera

Riža. 1. Sp i sp 2 hibridizacija
Jedan valentni elektron svake ćelije je u p z orbitali okomitoj na ostale sigma veze. Elektroni u tim orbitalama vrlo su mobilni kada je materijal "dopiran" (u proizvodnji poluvodičkih uređaja, dopiranje se odnosi na uvođenje malih količina nečistoća ili strukturnih defekata kako bi se promijenila električna svojstva poluvodiča, posebno njegova vrsta vodljivosti) kroz oksidaciju , uklanjajući neke od tih delokaliziranih elektrona. Dakle, p-orbitale tvore zonu unutar koje elektroni postaju mobilni kada je djelomično prazna. U načelu, ti isti materijali mogu biti dopirani redukcijom, koja dodaje elektrone još nepopunjenim vrpcama, ali u praksi je većina organskih vodiča dopirana oksidacijom kako bi se proizveli materijali p-tipa. Redoks dopiranje organskih vodiča slično je dopiranju silicijevih poluvodiča, u kojem se mali broj atoma silicija zamjenjuje atomima s velikim brojem elektrona (na primjer, fosfor) ili, obrnuto, atomima s malim brojem elektrona ( na primjer, bor) za stvaranje poluvodiča tipa n ili p-tipa.

Riža. 2. Polimer s metalnim nanočesticama pod elektronskim mikroskopom.
Najznačajnija razlika između vodljivih polimera i anorganskih poluvodiča je pokretljivost nositelja, koja je donedavno bila značajno niža za vodljive polimere nego za njihove anorganske analoge. Ta se razlika smanjuje izumom novih polimera i razvojem novih tehnologija obrade. Niska mobilnost naboja povezana je sa strukturnim poremećajima. Kao i u anorganskim amorfnim poluvodičima, vodljivost u takvim relativno neuređenim materijalima uglavnom je posljedica skakanja fonona, tuneliranja polarona (elektrona i pratećeg polarizacijskog polja), itd. između fiksnih stanja.
Polimeri u svom nedopiranom prvobitnom stanju su poluvodiči ili izolatori s energetskim jazom >2 eV, što je velika prepreka za pojavu toplinske vodljivosti. Posljedično, nedopirani polimeri, kao što su polipirol i poliacetilen, imaju nisku električnu vodljivost, reda veličine od 10 × 10 do 10 × 8 S/cm, čak i pri vrlo niskim razinama dopinga (< 1 %) электропроводность может возрастать до 10 ?1 См/см. Последующее легирование приводит к насыщению проводимости при значениях около 100-10 5 См/см в зависимости от полимера. Самые высокие значения проводимости, известные в настоящее время, получены для эластичного полиацетилена с достоверным значением около 8*10 4 См/см. Хотя пи-электроны в полиацетилене делокализованы вдоль цепи, истинный полиацетилен не является металлом. Полиацетилен имеет переменные одинарные и двойные связи размером 1,45 A и более 1,35 A соответственно. После легирования переменные связи уменьшаются, а проводимость увеличивается.
Nedopirano povećanje vodljivosti postiže se u tranzistoru s efektom polja (organski tranzistori s efektom polja) ili zračenjem.

2. Svojstva polimera

Najznačajniji utjecaj u razvoju nanotehnologije imaju vodljivi polimeri, posebice materijali kao što su grafen (vodljivi) - filmski materijal debljine jednog atoma, za čiju su proizvodnju na vrlo jednostavan način A. K. Geim i K. S. Novoselov dobili Nobelovu nagradu, i grafan (izolator), dobiven dodavanjem atoma vodika.

Riža. 3 grafenska mreža
2.1 Električna svojstva
Električna svojstva podrazumijevaju skup parametara koji karakteriziraju ponašanje polimernih materijala u elektromagnetskom polju. U praktičnoj primjeni najčešće se koriste sljedeći parametri: dielektrična konstanta, dielektrični gubici, električna vodljivost i električna čvrstoća, kao i otpor traganja (otpor prema električnom razaranju).

2.2 Električna vodljivost
Velika većina plastike obično ima vrlo visok električni otpor i stoga su dielektrici. No, sva plastika u manjoj ili većoj mjeri pokazuje električnu vodljivost, koja se opisuje s tri mehanizma - elektroničkim, ionskim i bipolarnim. Električna vodljivost dielektrika u većini je slučajeva ionske prirode.
Kvantitativno električnu vodljivost karakterizira specifična volumetrijska vodljivost kocke dimenzija 1x1x1 m, a D.C. prolazi kroz kocku između dvije suprotne strane.
U primijenjene svrhe, električna vodljivost ili električna vodljivost polimernih materijala karakterizirana je vrijednošću inverznom vodljivosti u fizičkom smislu, naime specifičnim volumetrijskim električnim otporom r v . Također se koristi vrijednost r s - specifični površinski električni otpor.
Specifični volumetrijski električni otpor je otpor između elektroda primijenjenih na suprotnim stranicama jedinične kocke s veličinom stranice od 1 m - izražen u Ohm?m. Vrijednost r v za plastiku varira u vrlo širokom rasponu od 10 -3 do 10 18 Ohm?m.
Specifični površinski električni otpor - otpor između suprotnih stranica jediničnog kvadrata sa stranicom od 1 m na površini uzorka polimera - izražava se u Ohmima. Vrijednosti r s uvelike ovise o uvjetima ispitivanja. Pri 20°C i relativnoj vlažnosti zraka od 60%, vrijednosti r s za polimere kreću se od 10 -1 do 10 16 Ohma.
U suhoj atmosferi i bez onečišćenja, vrijednost r s može značajno premašiti r v .
Na temelju specifičnog volumetrijskog električnog otpora, sve krutine se dijele u tri skupine, r v ,:

dielektrici (izolatori) >10 8 Ohm?m;
poluvodiči 10 2 -10 8 Ohm?m;
dirigenti:

2.3 Svojstva nekih materijala
2.3.1 Svojstva poliacetilena
Poliacetilen - produkt polimerizacije acetilena - H2C2 je kemijski aktivan polimer opće formule (CH)X, koji se lako modificira ("cross-linking" struktura). Istina, čisti poliacetilen je krhak, nestabilan materijal neprikladan za tehnološku obradu. Lakše je nositi se s kopolimerima acetilena i drugih monomera ili nanositi poliacetilen na površinu izdržljivijih materijala.
Na primjer, višeslojni film poliacetilena dobiva se na površini polietilena ili kopolimera etilena s butadienom (C2H4 i C4H6), na koji se nanosi katalizator polimerizacije acetilena. Za postizanje metalne vodljivosti poliacetilena, film se tretira plinovitim jodom, što dovodi do stvaranja kompleksa:
2(CH)X + 3Y(I2) = 2[(CH)XY+ (I3-)Y].
Količina unesenog joda služi kao alat za kontrolu svojstava polimera: pri koncentraciji joda u proizvodu od oko 1%, materijal postaje poluvodič pri oko 10%, pojavljuju se metalna svojstva: visoka električna vodljivost, paramagnetizam osjetljivost. Ove kvalitete rezultat su restrukturiranja elektroničke strukture makromolekula. "Organski metal" iz poliacetilenskog filma koristi se za stvaranje vodljivih slojeva u elektronici i elektrotehnici
2.3.2 Svojstva polipirola
Polipiroli su druga skupina vodljivih polimera. Polipirolski filmovi slični su politiofenima u svojim metodama sinteze i osnovnim elektrokemijskim svojstvima. Imaju prilično visoku vodljivost (do 10 -5 Ohm -1 cm -1), visoku stabilnost svojstava i lako se mogu sintetizirati kemijskom ili elektrokemijskom oksidacijom početnih pirol monomera iz vodenih i nevodenih otopina elektrolita. Na primjer, polipirolski film na platinastoj elektrodi može se dobiti oksidacijom početnog monomera, pirola, u kiselim vodenim otopinama. Isto tako, oksidacija se može provesti pod djelovanjem prikladnog kemijskog oksidacijskog sredstva, posebno željeznog klorida. U tom slučaju u otopini nastaje plavo-crni talog koji se zatim prešanjem može preraditi u film, a za poboljšanje mehaničkih svojstava koriste se stvaranjem kompozita na bazi mješavine s drugim nevodljivim polimerima. Elektrokemijska polimerizacija ima prednosti, budući da se uvjeti procesa oksidacije mogu kontrolirati odabranim potencijalom i, ovisno o učinkovitoj (blizu 100%) strujnoj učinkovitosti, mogu se taložiti filmovi određene debljine.
Najviše se koriste metode za sintezu polipirola iz otopina acetoitrila uz dodatak 1-2% vode, što poboljšava prianjanje filma na podlogu i njegovu homogenost. Fizikalno-kemijska svojstva dobivenih polimernih filmova ovise o debljini. Najbolje prianjanje polipirolnog filma na podlogu uočeno je kod debljine manje od 1 mikrona. Ako je debljina filma veća od 10 µm, može se relativno lako odvojiti od podloge. Kako bi se poboljšala mehanička svojstva polipirol filma, često se oblikuje s dodatnim nevodljivim polimerima.
Oksidirani oblik polipirola sadrži fragmente polimernog lanca od 3-4 jedinice - pirolne prstenove, na kojima je delokaliziran jedan pozitivan naboj, kompenziran česticom suprotnog predznaka - anionom A*.
Proces u polipirolskom filmu može se prikazati jednadžbom
-[-(C4H3N)4-G A" + e =-[-(C4H3N) 4-] + A"

Ciklički voltamogram u kojem se opažaju katodni i anodni vrhovi koji odgovaraju opisanom procesu

2.3.3 Svojstva polianilina
Monomerni oblik anilina je aminobenzen C 6 H 5 NH 2, koji lako polimerizira tijekom kemijske ili elektrokemijske oksidacije.
Struktura polianilina sastoji se od lanaca koji sadrže 1000 ili više monomolekulskih jedinica, koje opći pogled može se predstaviti na sljedeći način:

Pri čemu se indeks x odnosi na broj polimernih jedinica koje sadrže y reduciranih polimernih fragmenata i (1-y) oksidiranih polimernih fragmenata. Uz linearne lance, tijekom sinteze polimera mogu se formirati razgranate strukture koje sadrže veze između lanaca.
Utvrđeno je da se pojedinačni pozitivni naboj koji nastaje tijekom oksidacije polimera delokalizira na 4 jedinice tipa -[-C 5 H 4 -N(H)-C 6 H 4 -N(H)-].
Pod općim nazivom polianilin postoji pet glavnih mogućih stanja polimera, koja ovise o omjeru broja oksidiranih =(C6H4)=K- i reduciranih -(C6H4)-N(H)- jedinica u lancu polimera. .
Oblici polianilina koji se razmatraju su slabo vodljivi oblici koji se mogu pretvoriti u bolje vodljive oblike pretvaranjem u oblike soli. U ovom slučaju nastaju najprovodljivija stanja polimera, koja u ovom slučaju postoje u obliku soli. Najveću vodljivost ima smaragdinska sol, u kojoj je polovica strukturnih fragmenata oksidirana i sadrži 25% kinonskih prstenova

3. Uobičajeni elektrovodljivi polimeri koji se koriste

3.1 Metode dobivanja
Sinteza elektrovodljivih polimera
Razvijene su mnoge metode za sintezu polimera. Većina vodljivih polimera nastaje oksidacijom veze monocikličkog prekursora.
Jedan problem je općenito niska topljivost polimera. Međutim, u nekim slučajevima molekularna težina ne mora biti visoka da bi se postigla željena svojstva.
Najbolja (ali ne i jedina) opcija je dobivanje polianilina oksidativnom polimerizacijom analinijevih soli.
Razvijena je jednostavna i elegantna metoda za proizvodnju tankih filmova vodljivih polimera koji mogu poboljšati svojstva solarnih panela, LED dioda i senzora. Metoda se temelji na nemiješanju vode i ulja i površinskoj napetosti koja nastaje na granici između tih faza.
Postoji i tehnologija koja koristi tehniku ​​"cijepljenja" za stvaranje jakih ljepljivih veza između površina spojenih materijala.

Riža. 5. Polimerni elementi dobiveni stvaranjem ljepljivih veza

Polarne polimere karakterizira prisutnost stalnih dipola u njihovoj strukturi. Ako je konformacija polimera čvrsto fiksirana, rezultirajući moment molekule bit će određen time hoće li se momenti pojedinačnih segmenata zbrajati ili oduzimati. Općenito, polimerne molekule nisu u jednoj fiksnoj konformaciji i eksperimentalna vrijednost - srednji kvadratni dipolni moment - je prosjek za mnogo različitih konformacija.

U polarnim polimerima dielektrična konstanta određena je ne samo elektronskom, već i rezonantnom i relaksacijskom polarizacijom. Karakteristično vrijeme za uspostavljanje rezonantne polarizacije ovisi o temperaturi i iznosi 10-13 -10-12 s. Vrijeme uspostavljanja relaksacijske polarizacije ovisi o temperaturi i varira za više redova veličine. Stoga dielektrična konstanta polarnih polimera opada s frekvencijom i na složen način ovisi o temperaturi.

Kod polarnih polimera, koji imaju veću dielektričnu konstantu od nepolarnih, molarna polarizacija opada s porastom temperature. Relacija (1.5) se u ovom slučaju transformira u oblik

gdje su komponente tenzora deformacijske polarizabilnosti molekule, je njen konstantni (rezultirajući) dipolni moment molekule, je Boltzmannova konstanta i je temperatura. Jednadžba (1.6) često se naziva Debyeova jednadžba za molarnu polarizaciju.

Dipolni momenti atomskih skupina bitno ovise o vrsti njihove kemijske veze s molekulom kojoj pripadaju. Potreba da se uzme u obzir jaka lokalna interakcija između molekule i njezine okoline i, kao posljedica toga, lokalna

redoslijeda, uzeto je u obzir uvođenje koeficijenta korelacije definiranog kao:

gdje je broj najbližih molekula u sustavu, γ je kut između molekule u referentnoj točki i njenog najbližeg susjeda. Uzimajući u obzir koeficijent korelacije i neka druga poboljšanja koja je napravio Fröhlich, krajnji rezultat bila je sljedeća jednadžba (nazvana Fröhlichova jednadžba), koja povezuje makroskopsku dielektričnu konstantu s dipolnim momentom molekule:

gdje je indeks loma svjetlosti u određenom dielektriku.

U svim polarnim polimerima razlikuju se dvije vrste relaksacijskih gubitaka: dipolno-segmentni i dipolno-skupinski. Prvi tip uzrokovan je kretanjem velikih segmenata makromolekula, što se može prikazati kao vibracije savijanja glavnog molekularnog lanca. Drugi tip gubitka povezan je s rotacijom malih polarnih skupina sadržanih u bočnim granama makromolekule. Uočeno je nekoliko područja maksimuma gubitka dipolne skupine (β, γ, δ) kada polimer ima polarne skupine različite pokretljivosti. Imajte na umu da se neka pokretljivost polarnih skupina zadržava do temperatura helija.

Kako se polaritet polimera povećava, dielektrični gubici zbog električne vodljivosti rastu. Promatraju se kada visoke temperature na niskim frekvencijama i eksponencijalno rastu s porastom temperature.

veze između vodiča i komponenti strujnog kruga u raznim elektroničkim čipovima, omogućujući im da povećaju svoje performanse.

Poliimidi se u suvremenoj mikroelektronici smatraju jednim od najperspektivnijih izolacijskih materijala. Ovi polimeri imaju dobra toplinska, mehanička i električna svojstva, koja se mogu dodatno poboljšati smanjenjem njihove dielektrične konstante. Jedan od najjednostavnijih aromatskih poliimida ima sljedeću strukturnu formulu:

Kako bi se smanjila dielektrična konstanta poliimida, predloženo je da se dio atoma vodika zamijeni atomima fluora, budući da je polarizabilnost C–F veza manja od one C–F veze je vrlo polarna , koji, međutim, ne utječe na dielektričnu konstantu na visokim frekvencijama, ali može dovesti do njezina povećanja na niskim frekvencijama. Međutim, poliimidi se obično koriste na temperaturama ispod temperature staklenog prijelaza, tako da je orijentacijska polarizacija teška i ne daje značajan doprinos u radnom frekvencijskom području. Štoviše, upotreba simetrične supstitucije pomaže u izbjegavanju pojave rezultirajućeg dipolnog momenta:

Korištenje fluoriranih poliimida omogućuje smanjenje dielektrične konstante s 3,4 na 2,8.

Drugi način smanjenja dielektrične konstante je povećanje udjela slobodnog volumena1 u polimernom materijalu. Povećanje slobodnog volumena dovodi do smanjenja broja polarizacijskih skupina po jedinici volumena, čime se smanjuje dielektrična konstanta polimera. Procjene pokazuju da ova metoda omogućuje smanjenje dielektrične konstante za nekoliko desetaka posto u odnosu na izvornu vrijednost.

Općenito, razmatrajući obje metode, možemo zaključiti da je pri stvaranju molekularnih struktura s niskom dielektričnom konstantom kontrola slobodnog volumena jednako važna kao i izbor funkcionalnih skupina s niskom polarizabilnosti.

Uz stvaranje polimernih dielektrika s niskom dielektričnom konstantom, još jedan zadatak postao je hitan posljednjih godina - stvaranje tankoslojnih polimernih dielektričnih materijala s ultra-visokom dielektričnom konstantom. Oni bi se trebali koristiti kao dielektrični slojevi vrata u organskim tranzistorima s efektom polja (OFET). Brojni specifični zahtjevi nametnuti su dielektricima OPT vrata. Ovi slojevi moraju imati visoku dielektričnu konstantu, nisku vodljivost i gubitke, a njihova debljina ne smije biti veća od nekoliko stotina nanometara. Trenutno se u proizvodnji OPT-a naširoko koriste tanki slojevi anorganskih oksida, kao što su SiO2, Ta2O5, Al2O3 i brojni drugi, kao dielektrični slojevi vrata. Dielektrična konstanta ovih oksida je približno 6 – 30 s debljinom sloja od 5 do 500 nm.

1 Slobodni volumen u polimeru je dodatni volumen uz onaj koji zauzimaju atomi, na temelju njihovog van der Waalsovog radijusa, volumena.

Zadatak prijelaza s anorganskih oksidnih na polimerne dielektrične slojeve povezan je s potrebom da se pojednostavi tehnologija za proizvodnju OPT-a, budući da je implementacija "printer"1 tehnologije za proizvodnju OPT-a s oksidnim dielektrikom teška.

Polarne polimerne dielektrike treba smatrati obećavajućim materijalima koji se mogu koristiti u ove svrhe. Posebno su zanimljivi polimerni dielektrici, čije molekule sadrže polarne skupine s velikim dipolnim momentom. Tipičan predstavnik ove klase polimernih dielektrika je polivinil alkohol cijanid eter (CEPS). Strukturna formula CEPS monomerne jedinice ima oblik

CEPS karakterizira jedna od najvećih vrijednosti dielektrične konstante među poznatim polimernim materijalima. Vrijednost ε ovog polimera na frekvenciji od oko 103 Hz jednaka je

15, a tgδ ne prelazi 0,1 – 0,15.

Tako značajna dielektrična konstanta CEPS-a posljedica je prisutnosti visoko polarnog nitrila (CN), kar-

bonilne (C=O) i hidroksilne (OH) skupine sposobne za orijentaciju pod utjecajem vanjskih električno polje(Slika 1.12). Povoljnom orijentacijom ovih grupa osigurano je maksimalna vrijednost dipolni moment jednak 5,13 D, ali u prosjeku ukupni

1 “Printer” OPT tehnologija proizvodnje temelji se na inkjet metodi ispisa, kao i na metodi tiska mikrokontaktnog tiska i termotransfer tiska.

dipolni moment monomerne jedinice (uzimajući u obzir koeficijent korelacije g = 0,84) je 3,63 D.

Riža. 1.12. Značajan dipolni moment CEPS monomerne jedinice nastaje kao rezultat orijentacije polarnih skupina

Polimerni dielektrici naširoko se koriste u raznim elektroničkim uređajima. U organskoj elektronici najčešće se koriste u obliku tankih filmova, pa već pri relativno niskim radnim naponima jakost električnog polja u njima doseže značajne vrijednosti. Doista, u filmu debljine 100 nm, kada je izložen naponu od 10 V, prosječna jakost polja je već 106 V/s, ali u lokalnim područjima polimera, na primjer, na granici amorfnih ili kristalnih područja ili na sučelju elektroda-polimer, može značajno premašiti ovu vrijednost. Stoga su problemi povezani s električnom čvrstoćom tankih polimernih filmova i njihovom izvedbom u jakom električnom polju od najveće važnosti.

Sada je utvrđeno da električno uništenje filmova nije kritičan događaj koji se događa kada se postigne određena jakost polja. Njihov životni vijek u električnom polju (trajnost) eksponencijalno se smanjuje s povećanjem jakosti polja. Električno uništenje

polimerni filmovi se mogu smatrati procesom koji se sastoji od dvije uzastopne faze. U prvoj (pripremnoj) fazi dolazi do nakupljanja oštećenja makromolekula, potaknutih električnim poljem. Trajanje ove faze određuje trajnost uzorka filma u električnom polju (vrijeme od trenutka primjene napona na polimer do proboja). U drugoj (završnoj) fazi polimerni dielektrik gubi sposobnost da se odupre protoku struje visoke gustoće i opaža se njegov nagli porast, tj. Dolazi do električnog sloma.

Električna čvrstoća filmova mnogih polimera proučavana je pri konstantnom, izmjeničnom i pulsirajućem naponu. Provedene studije pokazuju da razgradnja tankih filmova polimera varira

osobnih tipova javlja se u poljima jakosti (2–6) 108 V/m.

Ta se vrijednost praktički ne razlikuje od jakosti polja u kojem se, u uvjetima ograničenih parcijalnih pražnjenja, probijaju deblji polimerni filmovi.

Važni čimbenici koji uvelike određuju pristupe koji se koriste pri razmatranju mehanizma električnog proboja tankoslojnih polimernih struktura su ovisnost njihove električne trajnosti o jakosti polja te utjecaj brzine porasta napona i materijala elektrode na vrijednost probojni napon.

Uočeni utjecaj jakosti električnog polja na trajnost i stopu porasta napona na probojnu čvrstoću čini se vrlo važnom činjenicom, budući da se može smatrati indikacijom da je električno uništenje tankih polimernih filmova doista posljedica postupna akumulacija oštećenja (promjena), koja završava slomom. Tijekom tog procesa stvaraju se uvjeti u kojima u određenom trenutku, pod utjecajem jakog električnog polja, polimerni dielektrik gubi svoja “dielektrična svojstva”.

svojstva" i pokazuje se da je sposoban prolaziti značajne struje, što dovodi do njegovog uništenja (sloma) zbog oslobađanja topline.

Razgradnja polimernog materijala u električnom polju nastaje zbog puknuća kemijske veze u polimernim molekulama, oslobađanje energije tijekom rekombinacije naboja i oslobađanje topline tijekom protoka struje velike gustoće.

1.6. POLIMERI S INTRINSIČNOM VODLJIVOŠĆU

Glavna razlika između polimernih dielektrika i intrinzično vodljivih polimera je u tome što prvi ne sadrže konjugirane kemijske veze kao potonji.

Među različitim provodljivim polimerima, u skladu s klasifikacijom koju je predložio A.V Vannikov, na temelju karakteristika prijenosa nositelja naboja, mogu se uvjetno razlikovati sljedeće skupine.

1. Vodljivost je određena transportom nositelja naboja duž polikonjugiranih polimernih lanaca. Tipični predstavnici ove skupine polimera su orijentirani poliacetilen, politiofen i polipirol.

2. Nositelji naboja kreću se duž polimernih polikonjugiranih lanaca, ali ukupni transport je određen skakanjem nositelja naboja između polimernih lanaca. Ova velika skupina uključuje brojne derivate polifenilen vinilena, polimetilfenilsililena i druge. Ovdje treba napomenuti da intermolekularni prijenos naboja uvelike komplicira transport, stoga je mobilnost nositelja naboja u takvim polimerima znatno manja od intramolekularne pokretljivosti.

3. Lokalizirani transportni centri nalaze se u glavnom lancu polimera koji nema polikonjugaciju, na primjer poliimida koji sadrži trifenilaminske ili antracenske transportne skupine u glavnom lancu.

4. Lokalizirani transportni centri su bočni supstituenti polimerne okosnice. Tu spadaju polivinilkarbazol, poliepoksipropilkarbazol, polivinilantracen itd.

5. Posljednja, najopsežnija skupina uključuje polimere dopirane aktivnim niskomolekularnim spojevima. U takvim spojevima polimerna matrica u pravilu određuje fizikalna, mehanička i spektralna svojstva sustava.

Mehanizam provođenja polimera koji pripadaju skupinama 2-5 je skakutav i povezan je s prijenosom nositelja naboja kroz transportne centre. Po svojoj prirodi i vidljivim obrascima sličan je skakačkom mehanizmu pokretljivosti. Ovisno o prirodi polimera, pokretljivost u njima može biti elektronska ili šupljina.

Prijenos rupa odvija se kroz transportne centre koji imaju minimalan potencijal ionizacije. To su obično aromatske aminske skupine ili spojevi. Transport šupljina povezan je sa skokom elektrona s najviše ispunjene molekularne orbitale (HOMO razina) neutralnog transportnog centra na molekularnu orbitalu susjednog pozitivno nabijenog transportnog centra.

Prijenos elektrona odvija se kroz transportne centre karakterizirane maksimalnim afinitetom za elektrone. Najčešće, skupine koje sadrže kisik djeluju kao takvi centri. Elektron s molekularne orbitale negativno nabijenog centra prelazi na najnižu slobodnu orbitalu (LUMO razina) susjednog neutralnog transportnog centra.

provodljivost,

Strukturna formula Naziv

poliacetilen 10 4

polifenilen 10 3

polipirol 10 3

politiofen 10 3

polianilin 10 2

Riža. 1.13. Strukturne formule vodljivih polimera

Električna vodljivost polimera koji pripadaju prvoj skupini određena je električnom vodljivošću polimernih lanaca. Ovi polimeri se klasificiraju kao polimeri s visokom tamnom vodljivošću. Strukturne formule i specifična vodljivost nekih od njih prikazani su na slici. 1.13.

-/a 0 /a

Riža. 1.14. Graf ovisnosti energije o valnom vektoru elektrona u jednoatomnom linearnom lancu (a) i gustoći stanjag (E)

za ovaj lanac (b). Stanja koja zauzimaju elektroni pri T = 0 su osjenčana

Članak za natječaj “bio/mol/tekst”: Znanstvenici već dugo sanjaju o pretvaranju životinja i biljaka u kiborge kojima upravljaju električni signali i pokušavaju to učiniti s najviše različiti putevi. Tako se prije 10-ak godina pojavilo novo znanstveno područje - organska bioelektronika - u kojem elektrovodljivi polimeri djeluju kao posrednici između živih bića i računala. Daljinsko upravljanje bojom lišća ruže, umjetni neuron i ciljano liječenje boli - prvi rezultati ovog trostrukog saveza već su impresivni.

Pokrovitelj nominacije - .

Generalni sponzor natjecanja, prema našem crowdfundingu, bio je poduzetnik Konstantin Sinjušin, prema čemu ima veliko ljudsko poštovanje!

Sponzor nagrade publike bila je tvrtka Atlas.

Sponzor objavljivanja ovog članka je Andrey Aleksandrovich Kiselev.

Svi živi organizmi pomalo su roboti ili računala. Samo umjesto uobičajene struje - elektrona koji prolaze kroz žice do izlaza i natrag - upravljaju nas živčani impulsi, tokovi nabijenih molekula zvanih ioni. A "gumbi" u živim električnim krugovima nisu pritisnuti prstima, već posebnim tvarima - neurotransmiterima. Kada njihova koncentracija prijeđe određenu granicu, stanične membrane neurona započinje lanac biokemijskih reakcija, koji završava pobuđivanjem živčanog impulsa.

Sada znanstvenici pokušavaju "vjenčati" računala u nama s uobičajenim silicijskim čipovima: sučelja između mozga i računala već mogu prepoznati aktivnost živčanih stanica i pretvoriti ih u smislene naredbe za elektroniku. Dakle, koristeći snagu misli, možete igrati jednostavne igre, pomicati robotsku protetičku ruku ili čak upravljati kvadrokopterom. Međutim, svi ti uređaji još uvijek pate od pogrešaka i netočnosti - nije lako kombinirati elektroničke i ionske struje u jednom uređaju.

Električno vodljivi polimeri, koji istovremeno provode obje vrste struje (slika 1), mogu postati "prevoditelji" sa živog jezika na jezik mikrosklopova. Otkriveni 70-ih godina prošlog stoljeća, ovi su materijali aktivno proučavani od strane mnogih znanstvenika: korišteni su za izradu tranzistora, solarnih ćelija, organskih svjetlosnih dioda (OLED) i drugih organskih elektronskih uređaja.

Slika 1. Shematski prikaz organskih ( desno) i anorganski ( lijevo) poluvodiči u dodiru s elektrolitom. Veličine nabijenih iona mnogo su veće od udaljenosti između atoma u anorganskim poluvodičima i stoga je ionska vodljivost u tim materijalima nemoguća. Istodobno, karakteristične veličine šupljina između lanaca makromolekula konjugiranih polimera usporedive su s veličinama hidratiziranih iona i stoga je ionska vodljivost moguća u ovoj klasi spojeva.

Sada prednosti elektrovodljivih polimera - fleksibilnost, jednostavnost i varijabilnost sinteze, kao i biokompatibilnost i ionsku vodljivost - koristi organska bioelektronika - vrlo mlado područje znanosti o materijalima, koje se već ima čime pohvaliti.

Dijagnostika iznutra

Rad mnogih sučelja mozak-računalo temelji se na snimanju EEG-a: kapa s elektrodama pričvršćena je na glavu osobe, u kojoj se, pod utjecajem ionskih struja koje teku u mozgu, pojavljuju vlastite elektroničke struje. U radu iz 2013. znanstvenici iz Francuske predložili su korištenje organskih elektrokemijskih tranzistora za iste svrhe.

Konvencionalni poluvodički tranzistori glavne su komponente svih električnih logičkih sklopova, svojevrsni elektronički gumbi s tri kontakta. Relativno velika struja koja teče kroz njih od jednog kontakta do drugog može se kontrolirati malim signalom (puno manjom strujom ili naponom u slučaju tranzistora s efektom polja) primijenjenim na treći kontakt. Prikupljanjem mnogo tranzistora u jednom krugu možete pojačati, prigušiti i pretvoriti sve električne signale ili, drugim riječima, obraditi informacije.

Organski tranzistori, s kojima su istraživači bilježili epileptičnu aktivnost u živih laboratorijskih miševa, rade na sličan način. Treći kontrolni kontakt u ovom tranzistoru napravljen je od vodljivog polimera i umetnut izravno u mozak glodavaca. Polimer je promijenio svoju strukturu (i, kao rezultat, vodljivost) zajedno s fluktuacijama u električnoj aktivnosti živčanih stanica, i kao rezultat toga, čak i male karakteristične promjene u ionskim strujama u mozgu "kiborga" dovele su do primjetnih razlika u struji koji teče od ulaznog kontakta tranzistora do izlaza (slika 2).

Slika 2. In vivo snimanje električne aktivnosti mozga pomoću organskih tranzistora. Ružičasta Boja pokazuje ovisnost uz pomoć organskog elektrokemijskog tranzistora, plava- plastična elektroda, crno- metalna elektroda. Imajte na umu da posljednje dvije elektrode registriraju električni signal skokovima potencijala, a tranzistor - strujnim skokovima u električno vodljivom kanalu.

Francuzi su u svom eksperimentu pokazali da organski tranzistori omogućuju mnogo točnije snimanje električne aktivnosti mozga od svojih modernih anorganskih pandana. U pokusima drugih znanstvenih skupina organski se tranzistori uspješno koriste za snimanje EKG-a ili, primjerice, određivanje koncentracije mliječne kiseline, glukoze i drugih biomolekula.

Plastični neuroni

Danas se neurološke i psihijatrijske bolesti liječe uglavnom uz pomoć lijekova, ali birajte njihovu dozu, dostavite lijek točno u određene stanice i pritom vodite računa o tome. nuspojava može biti vrlo teško odgovoriti na razne procese u tijelu. Veliki tim švedskih znanstvenika iz nekoliko instituta predložio je rješavanje ovih problema korištenjem istih elektrovodljivih polimera, ili bolje rečeno, korištenjem drugog uređaja organske bioelektronike - organske elektronske ionske pumpe koja može pumpati ione iz jednog medija u drugi.

Znanstvenici su u svom radu proučavali laboratorijske štakore kod kojih su najprije izazvali neuropatsku bol (njen uzrok nije bio vanjski nadražaj, već poremećen rad samih neurona), a zatim su je liječili ciljanom injekcijom neurotransmitera GABA (gama-aminomaslačna kiselina), što smanjuje nadraženost središnjeg živčanog sustava. Minijaturna organska pumpa (dužine oko 12 cm i promjera 6 mm) umetnuta je u leđnu moždinu štakora, a njezin rezervoar napunjen je GABA (Slika 3). Primjenom vanjskog električnog napona molekule GABA počele su izlaziti kroz četiri ionsko vodljiva polimerna kanala u međustanični prostor (video 1).

Slika 3. Implatabilna organska elektrokemijska pumpa. A - fotografija uređaja, B - shematski prikaz uređaja, lijevo - električni kontakt, u sredini - spremnik s GABA, desno - ekskretorni kanali. Ukupna duljina uređaja je 120 mm, promjer spremnika je 6 mm. C - četiri organska elektrokemijska izlaza nalaze se na mjestima gdje grane išijatičnog živca ulaze u leđnu moždinu.

Video 1. Organoelektronička ionska pumpa

Kao rezultat toga, bolovi kod štakora su nestali (to je provjereno taktilnim testom: elastične niti različite krutosti prinesene su šapama štakora i praćen je pritisak na koji životinja povlači šapu), a nema znakova primijećena je bol. nuspojave. Kod svih drugih tretmana neuropatske boli koji koriste GABA, lijek se ubrizgava u leđnu moždinu u velikoj dozi, koja se raspoređuje po živčani sustav a osim što suzbija bol, dovodi do poremećaja hodanja, letargije i drugih nuspojava.

Paralelno s tim radom, ista skupina istraživača napravila je prvi umjetni neuron na bazi polimera. Kombinirao je ionsku pumpu s biosenzorima osjetljivim na glutaminska kiselina(najčešći ekscitacijski neurotransmiter) i acetilkolina(neurotransmiter koji prenosi signal od neurona do mišićnog tkiva). Primjerice, u jednom od pokusa “plastični” neuron je pratio razinu glutamata u Petrijevoj zdjelici, a kada se prijeđe određeni prag, u njemu se pobuđuje struja koja otvara spremnik ionske pumpe, oslobađajući acetilkolin. u okolinu.

Rad umjetnog neurona vrlo je sličan funkcioniranju pravog neurona: živčani impuls pobuđuje se u jednom od njih i prolazi kroz cijelu stanicu do mjesta kontakta s drugim neuronom, gdje se oslobađa glutaminska kiselina, koja kao da pritisne gumb i pobudi sljedeći neuron (slika 4). Dakle, duž lanca neurona, impuls dolazi do mišićne stanice, koju više ne pobuđuje glutaminska kiselina, već acetilkolin. Plastični neuron koji su stvorili Šveđani mogao bi ponoviti te radnje i prenijeti signale drugim stanicama. U eksperimentu su to bile stanice neuroblastoma SH-SY5Y, čija je aktivacija praćena karakterističnim porastom koncentracije iona nakon vezanja acetilkolinskih receptora.

Slika 4. Shema pretvaranja kemijskog signala u električni signal i natrag u neuronu od umjetnog polimera identična je shemi za rad živog neurona. Biosenzor ( predstavljena zelenom bojom) odgovara na povećanje koncentracije jednog neurotransmitera ( narančaste točkice), koji stvara protok elektrona koji pobuđuje organsku elektrokemijsku pumpu ( predstavljen plavom bojom), oslobađajući drugi neurotransmiter ( plave točkice).

Od elektronskih ruža do najzelenije energije

Istraživanja na miševima, štakorima i drugim laboratorijskim životinjama moraju odobriti etička povjerenstva, pa je stoga najsmjelije pokuse u organskoj bioelektronici lakše izvesti na biljkama. Tako je krajem 2015. ista švedska grupa napravila prvu kiboršku ružu. Istina, još ne može učiniti ništa spektakularno - niti se otvoriti pritiskom na gumb na upravljačkoj ploči, niti promijeniti boju ovisno o vlažnosti okoline, niti preuzeti svijet, ali istraživači su uspjeli nešto zanimljivo.

U prvom eksperimentu, odrezana ruža stavljena je u vodu s otopljenim elektrovodljivim polimerom, koji se uzdigao uz reznicu i formirao vodljivi kanal u ruži. Zatim su znanstvenici spojili električne kontakte na krajeve kanala i u dršku umetnuli kontrolnu elektrodu - zlatnu žicu obloženu vodljivim polimerom. Tako je unutar ruže sastavljena vrsta organskog tranzistora. U ovom slučaju bilo je moguće spojiti više kontrolnih elektroda na jedan kanal odjednom i napraviti jednostavan logički sklop kroz koji struja teče samo kada se na obje zlatne žice dovedu određeni upravljački naponi.

U drugom eksperimentu, vodena otopina drugog elektrovodljivog polimera, koji može promijeniti boju kada se primijeni vanjski napon, upumpana je u lišće ruže pomoću šprice. Na list su stavljene elektrode, struja je uključena i voila: vene lista dobile su plavkasto-zelenu nijansu. Bio je to polimer koji je upumpan u njih iz bezbojnog postao plav (video 2). U isto vrijeme, kada je napetost uklonjena, list je ponovno postao zdravo zelene boje.

Tako su znanstvenici pokazali da je uz pomoć jednostavne tehnologije moguće stvoriti jednostavne elektronički sklopovi. To će u budućnosti omogućiti kontrolu njihove fiziologije i, primjerice, postizanje veće produktivnosti bez genetskih modifikacija ili čak stvaranje sićušnih elektrana korištenjem energije fotosinteze. Naravno, za sada to zvuči preskupo, ali jednom će tehnologije organske bioelektronike omogućiti ciljanu kontrolu svake biljke, a ne cijele populacije odjednom.

Bioelektronička budućnost

Prvi pokusi pokazali su da su uređaji organske bioelektronike sasvim sposobni primati, odašiljati i obrađivati ​​bioelektrične signale. Što je sljedeće? Sada polimerni materijali Naučili su kako ih učiniti biokompatibilnima i biorazgradivima, pa se čips temeljen na njima doslovno može utrpati u svaki živi organizam. Preostaje ih samo naučiti bežičnom prijenosu informacija, a unutar ljudskog tijela bit će moguće stvoriti lokalnu mrežu senzora koji neprestano prate različite medicinske pokazatelje poput razine glukoze, otkucaja srca i električne aktivnosti odabranih neurona, a zatim prenose svoje signale implantiranim medicinskim robotima koji se temelje na istim ionskim pumpama kako bi se oni počeli baviti problemom.

Ako vam se ideja da postanete takav kiborg uopće ne sviđa, možete jednostavno progutati tablet s ugrađenim fleksibilnim mikro krugom - na temelju kiselosti, temperature i koncentracije raznih tvari, točno će izračunati gdje treba pustiti lijek, i, učinivši dobro djelo, jednostavno će se probaviti u nama kao neki komad šećera.

Električno vodljivi polimeri su nova klasa polimera koja se pojavila relativno nedavno. Posljednjih godina ovaj se smjer u kemiji polimera ubrzano razvija. Primjena polimernih materijala kao nosača elektrovodljivih punila poznata je odavno. Tradicionalni elektrovodljivi polimerni materijali su sastavi koji se temelje na različitim polimerima (termo- i duroplasti) i elektrovodljivim punilima (čađa, grafit, ugljik, metalna i metalizirana vlakna, metalni prah) i koriste se u antistatičkim proizvodima, elektromagnetskim zaštitnim premazima, visokim -otpornici otpornici, električni nemetalni grijači i vodljivi lakovi. Međutim, trenutno su se pojavili novi materijali u kojima same makromolekule ili na određeni način konstruirane supramolekulske formacije, takozvani suradnici "supramolekula", koji u svojoj strukturi uključuju i organske makromolekule i anorganske ione, imaju električnu vodljivost.

Nedavno su više puta dodijeljene Nobelove nagrade za razvoj ovog smjera u znanosti. Na primjer, 1996. nagradu su dobili Englez G. Croto i Amerikanci R. Karl i R. Smellie za otkriće fulerena. 1999. nagradu je dobio De Gennes za teoriju tekućih molekularnih kristala, 2000. nagradu su dobili Amerikanac Allan Heeger i kemičari A. McDiarmid (SAD) i H. Shirakawa (Japan) za razvoj elektrotehnike; vodljivi polimeri. I konačno, 2003. Ginzburg (Rusija) za razvoj teorije vodljivosti u polimerima.

Mogu se zamisliti tri glavne opcije za prijenos elektrona u makromolekularnoj tvari: 1 - prijenos elektrona koji se provodi pomoću redoks molekula koje igraju ulogu mobilnih prijenosnika; transport može ali i ne mora biti popraćen prijenosom elektrona s jednog nosača na drugi kada se sretnu; 2 - "skakutajući" prijenos elektrona između redoks skupina povezanih s glavnim molekulskim okvirom ili okupljenih u supramolekularni suradnik zbog nekovalentnih interakcija; 3 - elektronska vodljivost duž sustava konjugiranih t-veza, koji može uključivati ​​druge skupine sposobne za prijenos elektrona, na primjer, napete cikličke strukture, heteroatome koji imaju slobodne elektrone koji ne sudjeluju u formiranju veza. U procesu prijenosa elektrona mogu sudjelovati i organske i anorganske komponente.

U idealnom slučaju za polimere sa sustavom konjugiranih dvostrukih veza moguće su dvije vrste tvari s konjugiranim vezama: s poluispunjenom zonom (model metala) i s potpuno ispunjenom zonom (model poluvodiča). U svim slučajevima, produljenje konjugacijskih mjesta realiziranih u polimerima trebalo bi dovesti do povećanja vodljivosti, budući da je popraćeno i smanjenjem zabranjenog pojasa i smanjenjem broja međumolekulskih barijera koje nositelji struje moraju svladati tijekom svog usmjerenog kretanja pod utjecajem vanjskog električnog polja. Mehanizam provođenja polimera mora uključivati ​​sljedeće elemente: pojavu slobodnih nositelja struje, kretanje tih nositelja u području polikonjugacije i prijelaz nositelja s jednog mjesta konjugacije na drugo. Pretpostavlja se da je polimer elektronički nehomogen sustav u kojem su polikonjugacijska područja karakterizirana metalnom vodljivošću odvojena dielektričnim područjima. Prijenos nositelja kroz dielektrične slojeve je aktivacijska barijera. Poluvodička svojstva polimera trebala bi ovisiti o ukupnoj duljini sustava konjugiranih veza, koplanarnosti strukture glavnog lanca, prirodi bočnih skupina, prisutnosti heteroatoma u konjugacijskom lancu koji imaju elektrone u vanjskom orbite koje ne sudjeluju u stvaranju kemijske veze itd.

Polimeri s konjugiranim vezama imaju poluvodička svojstva i u njih se mogu ubrizgati elektroni s metalne elektrode pričvršćene na njih. Električna vodljivost takvih polimera osjetljiva je na svjetlost, pa se na njihovoj osnovi mogu stvoriti razni uređaji osjetljivi na svjetlo, poput polimernih svjetlovoda. Na temelju takvih polimera već su stvoreni svjetlovodi, poluvodički tranzistori i teristori. U bliskoj budućnosti vjerojatno će se na temelju takvih polimera stvoriti pravi ravni TV ekrani. prometni znakovi, ravni računalni zasloni koji svijetle bijelim svjetlom unutarnji zidovi medicinske ustanove.

Elektronska struktura polimernih molekula s konjugiranim vezama u nepobuđenom stanju je u ravnoteži i njihova je električna vodljivost u pravilu niska (oko ~ 10"10 ohm cm~1). Da bi se takvi polimeri pretvorili u elektrovodljive, modificiraju se kemijski ili elektrokemijski - "dopiranje". Ovisno o dopirnoj komponenti razlikujemo p-dopiranje, kada dopirajući element privlači elektrone, i n-dopiranje, kada dopirajući element daje. tehnika dopiranja je jednostavna, ali ima svoje specifičnosti, jer je poželjno postići što ujednačeniju raspodjelu “dopanta” (supstance kojom se dopira).

Tanki filmovi poliacetilena, na primjer, naneseni kao prevlake na polimernu podlogu (polietilen, staklo itd.) dobivaju se uranjanjem nosača u otopinu katalizatora, što može biti NaBH4xCo(NO3)2 na temperaturi od -80°, a zatim se na -30° obrađeni supstrat uvodi u acetilensku atmosferu. U ovom slučaju, polimerizacija acetilena sorbiranog na podlozi događa se za nekoliko sekundi. Nakon uklanjanja katalizatora, dobiveni poliacetilenski film tretira se dopantom (na primjer, para joda: vodljivost veća od 200 ohm^cm"1). Dobiveni film je izgled nalikuje aluminijskoj foliji, a po elastičnosti odgovara podlozi (polietilen). Takav poluvodič je poluvodič p-tipa (kretanje (+) naboja - "rupa" nakon uvođenja dopanta u polimer povećava se trilijun puta, što osigurava vodljivost). Arsenov pentafluorid, klor, brom povećavaju vodljivost p-tipa. Uvođenje K, Na, AsF5 (više od 1%) oštro mijenja vodljivost od šupljine do metalne, čija vrijednost ovisi o količini dopanta. Polimerne ploče izrađene od dopiranog poliacetilena sposobne su pretvoriti svjetlosnu energiju u električnu energiju s učinkovitošću bliskom onoj silicijevih solarnih ćelija (nakon toplinskog katalitičkog starenja, vodljivost je 105 ohm^.cm"1).

Za razliku od acetilena, pirol (izveden iz ugljenog katrana) puno lakše polimerizira elektrokemijskim putem. Polipirol stvara film na jednoj od elektroda ćelije kada električna struja prolazi kroz njegovu otopinu. Dopiranje polipirola također se provodi elektrokemijskom metodom. Njegova svojstva se stabiliziraju taloženjem na PVC poroznu membranu. Korištenje membrane osigurava slobodan protok iona. Na taj način se dobivaju elektrode od polipirola koje se mogu koristiti u baterijama. Također je moguće izraditi ploče prešanjem polipirolnog praha dobivenog polimerizacijom u otopini (metanol, oksidans FeCl3 + FeCl2, oksidacijski potencijal 500 mV, pirol/FeCl3 - 233, 0-20°, 20 min.). Električna vodljivost dobivenog polimera je 190-220 ohm"1, cm"1. Polipirol filmovi se pripremaju taloženjem iz vodene otopine PeCl3 na polietilen tereftalatni supstrat obložen polimetil metakrilatom. Također su opisane i druge metode dopinga.

Kao rezultat kemijske interakcije s donorima ili akceptorima elektrona, vodljivost navedenih polimera s konjugiranim dvostrukim vezama može doseći vodljivost žive. Električna vodljivost elektrovodljivih polimera povezana je s pokretljivošću elektrona u molekulama polimera, pri čemu oblak CS-elektrona, formiran sustavom konjugiranih veza tijekom dopiranja, dolazi u pobuđeno stanje. Ovo stanje osigurava električnu vodljivost blisku metalnoj.

Konjugirani poliolefinski lanci, koji nose skupinu koja privlači elektron na jednom kraju i skupinu koja donira elektron na drugom kraju, su polarizirane molekularne žice koje moraju pokazivati ​​preferencijalna svojstva prijenosa elektrona, imati "rupnu" ili "elektronsku" vodljivost, tj. trebali bi raditi kao ispravljači. Opisano je nekoliko takvih uređaja. Autori rada sugeriraju da se daljnji razvoj rada na "dizajnu" molekularnih žica može odvijati u sljedećim smjerovima: 1 - zamjena konjugiranog poliolefinskog fragmenta sa strukturama kao što su kondenzirani oligotiofeni, oligopiroli, aromatske skupine ili metalni koordinacijski centri; 2 - varijacija terminalnih skupina aktivnih u redoks procesima, koje u isto vrijeme mogu igrati i ulogu "sidra" koje pričvršćuje molekulu vodiča na podlogu; 3 - organizacija fragmenata koji igraju ulogu molekularnih žica formiranih asocijacijom i samosastavljanjem na temelju procesa prepoznavanja.

Prve generacije polimera s visoko razvijenim sustavom konjugiranih veza, koje su se pojavile osamdesetih godina prošlog stoljeća, odlikovale su se ograničenom topljivošću, bili su netopljivi i teško kompresivni. Od tada su istraživači razvili intrinzično vodljive polimere (ICP) koji se mogu preraditi u prah, film ili vlakna. razne metode pomoću otapala i katalizatora. Nova generacija PVP-a lakša je za obradu. Stabilni su na zraku i mogu se čak miješati s drugim polimerima kako bi se dobili spojevi željene električne vodljivosti.

Kompleksi polimera s metalima, posebice s prijelaznim valentnim metalima, u kojima su receptori polimerne organske strukture sa sustavom konjugiranih veza, a supstrati su prijelazni valentni metali, također se u literaturi opisuju kao elektrovodljivi i poluvodički materijali.

Postoji nekoliko načina vezanja supstrata na receptor, ovisno o prostornoj strukturi receptorske molekule. Ako se vezanje supstrata i receptora odvija kroz šupljinu prisutnu u prostornoj strukturi receptorske molekule, tada se takvi ansambli često nazivaju inkluzijskim kompleksima ili kriptatima. Variranjem prirode i broja fragmenata i povezujućih mostova uključenih u vezanje, moguće je dobiti različite makropolicikličke strukture, koje, vezane s metalnim ionima, daju binuklearne kriptate različite vrste. Mnogi ligandi su sintetizirani da tvore binuklearne komplekse. Za to su korištene različite reakcije kao što je amin + karbonil = imin. Ovi ligandi tvore binuklearne metalne komplekse kao i kaskadne komplekse s premosnim skupinama.

Opisan je veliki broj struktura formiranih od polinuklearnih nakupina metala, koje karakteriziraju različiti geometrijski parametri. Neki od tih klastera mogu poslužiti kao prototipovi "supramolekularnih" metala i imaju metalnu električnu vodljivost. Dobiveni su divovski klasteri koji sadrže 70-146 atoma bakra ili 309-561 atoma paladija koji pokazuju metalna svojstva. Metalni kelatni spojevi također obećavaju.

Različiti derivati ​​fulerena također se koriste kao elektro vodljivi polimeri.

Vodljivi polimeri prvenstveno se koriste kao antikorozivni premazi za zaštitu velikih metalnih konstrukcija kao što su mostovi. Dopirani polimeri trenutno se koriste kao razni antistatički aditivi, posebno antistatički sloj polianilina štiti računalne diskove koje proizvodi Hitachi. Takvi polimeri su od interesa za antiradarske premaze, u stvaranju svjetlovoda, u membranskim tehnologijama za odvajanje polarnih tekućina i plinova, za osjetljive plinove i senzore, u litografskim procesima i fotografiji. Proces dopiranja i dedopiranja polimera može se kontrolirati vanjskim naponom, koji se koristi za izradu lakih baterija.

Obećavajući smjer za korištenje elektrovodljivih polimera koji se lako oblikuju i prerađuju je minijaturizacija u mikroelektronici korištenjem komponenti željene konfiguracije s dimenzijama na molekularnoj razini u elektroničkim sklopovima čvrstog stanja. Vjerojatno će se elektrovodljivi polimeri koristiti u kondenzatorima, memorijskim elementima računala i fotopretvaračima. U posljednje vrijeme pojavilo se mnogo publikacija, posebice na Internetu, o drugim područjima primjene elektrovodljivih polimera. Neki od njih navodno mijenjaju boju kada su izloženi električnom naponu ili kemijskim utjecajima, što se koristi u izradi elektroničkih optičkih sklopki i memorijskih uređaja. Elektrovodljivi polimeri su perspektivni za stvaranje međuelementnih veza dimenzija molekularne podrazine (1 nm), za izradu visokonaponskih kabela dopiranih na način da je središnji dio vodljivi dio, a vanjski dio izolator, u raznim uređajima električne i elektroničke opreme i elektroinstrumentarstva.

Napredak računalne tehnologije povezan je s kombinacijom elektroničkih i optičkih metoda obrade informacija. Fotoelektronička računala rade tisuće puta brže, s velikom gustoćom zapisa informacija. Holografska vanjska memorija temeljena na fotorefraktivnom efektu (promjena fizička svojstva pod utjecajem svjetla) daje npr. fotoreaktivni poli-1CG-vinilkarbazol.

Kodakovi istraživači dobili su troslojni polimerni film koji udvostručuje frekvenciju zračenja koja dolazi iz poluvodičkog lasera - prenosi svjetlost iz bliskog infracrvenog područja u vidljivo plavo, što omogućuje gušće snimanje informacija na kompakt disku. Promjenom sastava bočnih skupina poliacetilena dobiven je polidiacetilen koji je lakše topiv. Lakše je oblikovati filmove, koji su fotorefraktivni tekući kristalni poluvodiči. Koristeći vodljive polimere, razvijeni su tranzistori s vratima i elektroničkim sklopkama (električnu struju između ulaza i izlaza kontrolira posebna elektroda vrata). Prijelaz na čisto polimerne uređaje omogućit će korištenje jednostavne metode sitotisak na izolacijski sloj polietilen tereftalatnog filma. U takvom uređaju pasta se nanosi na film od polietilen tereftalata, dvosloj se fiksira na fleksibilnu matričnu traku, a ulazna i izlazna elektroda se izrađuju na vrhu izolatora od istog elektrovodljivog polimera (organski poluvodič - diheksilseskvitiofen, koji sadrži šest tiofenskih blokova). Teške olovne, kadmij-nikal, željezo-nikal baterije sada su zamijenjene litijevim baterijama. Korištenje elektrovodljivih polimera za proizvodnju aktivnih dijelova izvora struje omogućuje eliminaciju upotrebe struje obojenih metala za njih i smanjit će težinu baterija za pola, osigurati elektrokemijsku reverzibilnost, implementirati visoku specifičnu snagu i energiju intenzitet i bezotpadnu tehnologiju njihove proizvodnje.

Razvijen je niz zanimljivih vodljivih polimera. Dakle, gel na bazi polikrotonske kiseline u slabo alkalnim vodenim otopinama može mijenjati svoj volumen pod utjecajem električne struje. Britanska tvrtka Geloweiten razvila je materijal koji može promijeniti svojstva od dielektrika do vodiča. U Engleskoj su razvijene polimerne LED diode na bazi polimera s izmjeničnim fenilenskim i vinilnim skupinama i bočnim skupinama OC6H13 i CN. Kada se takav film stavi između elektroda, on emitira žuto-zelenu svjetlost. Obećavajući su za izradu TV ekrana i zaslona.

„Kemijska industrija danas“, broj 5, 2007

Oglase za kupnju i prodaju opreme možete pogledati na

O prednostima marki polimera i njihovim svojstvima možete razgovarati na

Registrirajte svoju tvrtku u imeniku poduzeća

O stvaranju raznih "plastičnih" elektroničkih uređaja u
Postoje mnoge tvrtke koje trenutno rade i istraživački laboratoriji. O tome
Informatički tisak, pa tako i naš tjednik, pisao je više puta. To je istina,
Većina danas predloženih rješenja uključuje neku vrstu
spoj novih i tradicionalnih tehnologija. Na primjer, jedan od najčešćih
pristup je taloženje poluvodičkih materijala na plastičnu podlogu.
Međutim, zapravo, potencijalno postoji još jedna opcija - korištenje
plastični materijali s vodljivim svojstvima, točnije, vodljivi polimeri.

Prvi, najvažniji rezultati na ovom području, koji su u biti postali polazište
za sva daljnja istraživanja, dobio je Hideki Shirakawa
sa Sveučilišta Tsukuba (Japan), Alan J. Heeger iz Kalifornije
Sveučilišta i Alan G. MacDiarmid sa Sveučilišta Pennsylvania.
Štoviše, prema legendi, vodljivi polimeri otkriveni su slučajno: tijekom
reakcija fuzije bila je jednostavno pogreška jednog od Shirakawinih učenika. Pa, prva stvar
izvještaj o njima pojavio se 1977. u časopisu Journal of Chemical Society.

Što su vodljivi polimeri? Ukratko, temelje se na visokomolekularnim tvarima s molekulama u kojima postoje izmjenične dvostruke veze. U svom čistom obliku, oni nisu vodiči naboja, jer su elektroni u njima lokalizirani zbog sudjelovanja u stvaranju jakih kemijskih veza. Za oslobađanje elektrona koriste se razne nečistoće; nakon njihovog uvođenja, postaje moguće pomicati naboje (elektrone i šupljine) duž molekularnog lanca.

Vodljivi polimeri koje je dobio Hideki Shirakawa na bazi poliacetilena imali su specifičnu vodljivost reda veličine 0,001-0,01 S/m, što približno odgovara poluvodičima. Naknadno su sintetizirani materijali s razinom vodljivosti od 10 000 S/m, koji se već mogu uvjetno nazvati "lošim" vodičima.

Jedan od sljedećih važnih koraka u tom smjeru bilo je dobivanje na samom početku
Elektroluminiscentni polimeri iz 90-ih. Oni su također vodljivi i
zračenje u njima nastaje zbog rekombinacije naboja i rupa. Dosada
S vremenom se takvi polimeri već naširoko koriste u elektroničkoj industriji:
Na njihovoj osnovi izgrađeni su zasloni na organskim svjetlosnim diodama (OLED - Organic).
Light-Emitting Display), koju mnogi stručnjaci smatraju vrlo ozbiljnom
konkurent LCD zaslonima na tržištu ručnih uređaja. Među tvrtkama koje vode
razvoj na ovom području - British Cambridge Display Technology (www.cdtltd.co.uk),
Njemački Covion Organic Semiconductors (www.covion.com),
Nizozemski Philips (www.research.philips.com),
kao i UNIAX (www.uniax.com),
koju je 1990. godine osnovao Alan Heeger i prošle godine prodao DuPontu.

Što se tiče upotrebe provodljivih polimera u mikroelektroničkim uređajima umjesto tradicionalnih poluvodičkih materijala, još nije primijećen značajniji napredak, uglavnom zato što oni još nisu u stanju pružiti dovoljnu učinkovitost. (Iako su takvi materijali zbog niske cijene i mehaničkih svojstava već našli prilično široku primjenu; jedan od najjednostavnijih primjera su zaštitni filtri za zaslone monitora, koji su prije nekoliko godina bili vrlo česti.) Ipak, mnogi stručnjaci još uvijek pretpostavljaju da će jednog dana polimeri će postati osnovne komponente mikroelektronike i koristit će se, recimo, kao veze između računalnih elemenata izgrađenih od molekularnih nizova, što će povećati stupanj integracije i performanse mikrosklopova za nekoliko redova veličine. Istina, za postizanje takvog napretka trebat će više od desetak godina.

Pa, zaključno, želio bih reći još jednu stvar o činjenici da je, zapravo, služio
jedan od poticaja za pisanje ovog kratkog članka: 2000. znanstvenici koji su otkrili
provodni polimeri - Shirakawa, Heeger i McDiarmid - postali su nobelovci
nagrade iz kemije.