Zasada-tłukącego się, kolorowego silikonu, który może przewodzić prąd

Nowo odkryta odmiana silikonu jest półprzewodnikiem. Naukowcy z Uniwersytetu Michigan odkryli-obalające założenia, że ​​ta klasa materiałów ma wyłącznie właściwości izolacyjne.

„Materiał otwiera możliwości dla nowych typów płaskich wyświetlaczy, elastycznych fotowoltaiki, czujników do noszenia, a nawet odzieży, która może wyświetlać różne wzory lub obrazy” – powiedział Richard Laine, profesor-M profesora nauk o materiałach i inżynierii oraz nauk i inżynierii makromolekularnej oraz współautor badania opublikowanego niedawno w Macromolecular Rapid Communications.

Oleje i kauczuki silikonowe-polisiloksany i silseskwioksany-są tradycyjnie materiałami izolacyjnymi, co oznacza, że ​​są odporne na przepływ prądu i ciepła. Ich właściwości-wodoodporne czynią je przydatnymi w urządzeniach biomedycznych, uszczelniaczach, powłokach elektronicznych i nie tylko.

Tymczasem konwencjonalne półprzewodniki są zazwyczaj sztywne. Silikon półprzewodnikowy ma potencjał, aby umożliwić powstanie elastycznej elektroniki opisanej przez Laine’a, a także silikonu dostępnego w różnych kolorach.

Na poziomie molekularnym silikony składają się ze szkieletu naprzemiennych atomów krzemu i tlenu (Si-O-Si) z grupami organicznymi (na bazie węgla-) przyłączonymi do krzemu. Kiedy łańcuchy polimeru się ze sobą łączą, powstają różne formacje 3D, zwane sieciowaniem-, które zmieniają właściwości fizyczne materiału, takie jak wytrzymałość czy rozpuszczalność.

Badając różne-struktury sieciujące w silikonie, zespół badawczy natknął się na potencjał przewodnictwa elektrycznego w kopolimerze, który jest łańcuchem polimeru zawierającym dwa różne typy powtarzalnych jednostek-klatkowych-, a w tym przypadku silikonów liniowych.

Możliwość przewodnictwa wynika ze sposobu, w jaki elektrony mogą poruszać się przez wiązania Si-O-Si z nakładającymi się orbitalami. Półprzewodniki mają dwa główne stany: stan podstawowy, który nie przewodzi prądu, i stan przewodzący, który to robi. Stan przewodzenia, znany również jako stan wzbudzony, występuje, gdy niektóre elektrony przeskakują na następny orbital elektronowy, który jest połączony w materiale jak metal.

Zwykle kąty wiązania Si-O-Si nie pozwalają na takie połączenie. Przy 110 stopniach jest im bardzo daleko od linii prostej 180 stopni. Jednak w odkrytym przez zespół kopolimerze silikonowym wiązania te rozpoczęły się przy 140 stopniach w stanie podstawowym-i rozciągają się do 150 stopni w stanie wzbudzonym. To wystarczyło, aby stworzyć autostradę, przez którą mógł przepływać ładunek elektryczny.

„Pozwala to na nieoczekiwaną interakcję między elektronami poprzez wiele wiązań, w tym wiązania Si-O-Si w tych kopolimerach” – powiedział Laine. „Im dłuższa długość łańcucha, tym łatwiej elektronom pokonuje większe odległości, zmniejszając energię potrzebną do absorpcji światła, a następnie emitowania go przy niższych energiach”.

Właściwości półprzewodnikowe kopolimerów silikonowych umożliwiają również uzyskanie spektrum kolorów. Elektrony przeskakują między stanem podstawowym a stanem wzbudzonym, absorbując i emitując fotony, czyli cząstki światła. Emisja światła zależy od długości łańcucha kopolimeru, którą zespół Laine'a może kontrolować. Dłuższe łańcuchy oznaczają mniejsze skoki i fotony o niższej energii, co nadaje silikonowi czerwony odcień. Krótsze łańcuchy wymagają większych skoków od elektronów, dlatego emitują światło o wyższej energii w kierunku niebieskiego końca widma.

Aby zademonstrować związek między długością łańcucha a absorpcją i emisją światła, badacze rozdzielili kopolimery o różnej długości łańcucha i ułożyli je w probówkach od długich do krótkich. Świecenie światłem UV na rurkach tworzy pełną tęczę, ponieważ każda pochłania i emituje światło o różnej energii.

Kolorowy układ oparty na długości łańcucha kopolimeru jest szczególnie wyjątkowy, ponieważ do tej pory silikony były znane tylko jako przezroczyste lub białe, ponieważ ich właściwości izolacyjne uniemożliwiały pochłanianie dużej ilości światła.

„Bierzemy materiał, który wszyscy uważali za elektrycznie obojętny, i dajemy mu nowe życie,-takie, które mogłoby zasilać miękką, elastyczną elektronikę nowej generacji” – powiedział Zijing (Jackie) Zhang, doktorant U-M w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii oraz główny autor badania.