Новые возможности электропроводных пластмасс
Появившийся класс электропроводящих пластмасс, называемых «радикальными полимерами», может помочь в создании недорогих прозрачных солнечных элементов, гибких и легких аккумуляторов и ультратонких антистатических покрытий для бытовой электроники и самолетов.
Исследователи установили электрические свойства одного такого твердотельного полимера, называемого ПТМА, электропроводность которого примерно в 10 раз выше, чем у обычных полупроводниковых полимеров.
«Это — полимерное стекло, которое проводит заряд, что кажется противоречивым, потому что стекло, как правило, изолятор», — сказал Брайан Будурис, доцент кафедры химической инженерии в Университете Пердью.
Простой в изготовлении полимер напоминает оргстекло — недорогой прозрачный пластик, который содержится во многих продуктах. Однако в отличие от оргстекла он проводит электричество.
«Мы производим миллиарды тонн пластика ежегодно, — сказал Будурис. – А теперь представьте, что мы могли бы производить такого же рода материал в том же масштабе, но с электронными свойствами».
ПТМА относится к классу электрически активных полимеров, которые могут быть использованы в производстве недорогих прозрачных солнечных батарей, антистатических и антибликовых покрытий для дисплеев мобильных телефонов, антистатических покрытий самолетов для защиты от ударов молнии, гибких компьютерных флэш-накопителей и термоэлектрических устройств, генерирующих электрическую энергию из тепловой.
Полимеры можно использовать в новых типах аккумуляторов. Тем не менее, по словам Будуриса, для того, чтобы полимеры нашли широкое практическое применение, потребуется увеличить их проводимость еще от 100 до 1 000 раз.
Результаты недавних исследований были подробно изложены в статье, опубликованной в мае в журнале «Macromolecules». Обзорная статья на эту тему появилась в сентябре в том же журнале и на его обложке.
Авторами обзорной статьи являются аспиранты Пердью: Эдвард П. Томлинсон и Марта Э. Хей и Будурис. Исследовательская статья, опубликованная в мае, была написана аспирантом Лизбет Ростро, студентом Сы Хой Воном и Будурисом.
Полимеры – ряды молекул с центральной основой, которые могут содержать и боковые цепи, называемые «боковыми группами», свисающими с центральной структуры. В радикальных полимерах именно эти боковые группы позволяют транспортировать заряд, проводя ток.
Для создания радикального полимера ученые используют процедуру под названием «снятие защиты», которая включает в себя замену атома водорода в боковой группе на атом кислорода, превращая его в так называемую радикальную группу.
«Мы наконец изучили снятие защиты и узнали, как она влияет на электронные свойства радикальных полимеров», — сказал Будурис.
Ядро атома обычно окружают спаренные электроны. Атом кислорода в ПТМА, однако, имеет один неспаренный электрон на своей внешней оболочке, что делает его пригодным для транспортировки заряда.
«Нужно тщательно контролировать процесс снятия защиты, потому что проводимость может различаться на порядки», — сказал он.
Исследователи определили, что процедура удаления защитной группы может привести к четырем различным химическим функциональным возможностям радикального полимера, две из которых являются перспективными для увеличения проводимости полимера.
«Таким образом, управление условиями реакции удаления защитной группы, и контроль результирующих химических функциональных групп, имеют решающее значение в настройке электрических свойств радикальных полимеров», — сказал Будурис.