Polimery przewodzące prąd - fakt czy mit?

Jak polimery przewodzą prąd - mechanizm

Przewodzenie prądu elektrycznego przez polimery polega na albo na ruchu elektronów w obrębie pojedynczych cząsteczek, albo na przeskokach elektronów pomiędzy sąsiednimi makrocząsteczkami. Zjawisko przewodnictwa elektrycznego wymaga obecności zdelokalizowanych elektronów, a co za tym idzie konieczności występowania wiązań podwójnych w strukturze łańcucha makrocząsteczki. Polimery o przemiennych wiązaniach pojedynczych i podwójnych można przekształcić w metale organiczne w wyniku reakcji domieszkowania. Usunięcie niektórych elektronów z wiązań podwójnych powoduje utworzenie dziur elektronowych, które mogą swobodnie przemieszczać się wzdłuż łańcucha. Neutralność elektryczną układu zapewniają aniony domieszki znajdujące się w przestrzeni międzyłańcuchowej. Zadaniem substancji domieszkującej jest oddanie lub pobranie elektronów z makrocząsteczki.

Domieszkowanie

Polimery przewodzące, podobnie jak tradycyjne półprzewodniki, można domieszkować wprowadzając lub usuwając elektrony z układu. Elektrony mogą się wtedy swobodnie poruszać, co powoduje przepływ prądu elektrycznego wzdłuż szkieletu sprzężonego polimeru. Domieszkowanie wykonuje się poprzez odwracalne utlenianie lub redukcję łańcucha głównego zawierającego zdelokalizowane π-elektrony. Polimery zmodyfikowane w ten sposób mogą nawet posiadać przewodnictwo elektryczne zbliżone do wartości osiąganych przez przewodniki metaliczne.

Wspólną cechą wszystkich polimerów przewodzących jest to, że są one sprzężone. Polimery sprzężone to klasa polimerów organicznych, które są samoistnie półprzewodnikowe i mogą w niektórych przypadkach wykazywać właściwości quasi-metaliczne w odniesieniu do przewodnictwa. Abyśmy w pełni zrozumieli fizykę stojącą za przewodnictwem tej klasy polimerów, musimy przyjrzeć się strukturze molekularnej polimeru sprzężonego. Jeśli chodzi o przewodnictwo polimeru, możemy zaobserwować przemienne pojedyncze i podwójne wiązanie występujące w całym jego szkielecie. Jest to również nazywane „sprzężonym szkieletem”. 

Ale co tak naprawdę oznacza stwierdzenie, że polimer jest „sprzężony”? Zasadniczo tym, co uzyskuje się w sprzężonym szkielecie polimeru, jest zachodzenie na siebie orbitali p, co pozwala na delokalizację elektronów wzdłuż tych orbitali. Najprostszym związkiem tego typu jest poliacetylen. Jednak sama obecność układu wiązań podwójnych nie wystarcza, ponieważ poliacetylen jest zaledwie półprzewodnikiem o dość niskim przewodnictwie właściwym, znacznie mniejszym niż dla powszechnie stosowanego krzemu (dla którego przewodnictwo właściwe wynosi około 10-3 S/m).

Polimery przewodzące, w zależności od swoich właściwości, są wykorzystywane na wiele sposobów. Dzięki uzależnieniu barwy polimeru od stopnia jego zdomieszkowania pomyślano też o wykorzystaniu tych materiałów do konstrukcji wskaźników elektrochromowych (gdzie barwa zależy od przyłożonego potencjału), wyświetlaczy oraz do powlekania szyb, które po przyłożeniu odpowiedniego potencjału można w sposób odwracalny zaciemniać. Pełnią role przewodników i półprzewodników w różnego typu urządzeniach mikroelektronicznych.

Wspomniane polimery są obiecujące, a ich potencjalne zastosowania w bioczujnikach, superkondensatorach i ochronie przed korozją to tylko niektóre z obszarów, w których można zastąpić metalowe komponenty. Przyszłość zapowiada się bardzo interesująco, co można wywnioskować z prognozowanej wielkości rynku globalnego w 2021 r. Zmierzamy w kierunku większej komercjalizacji przemysłowej polimerów przewodzących, w związku z czym nie powinniśmy być zaskoczeni, jeśli przyszłe zabiegi medyczne lub urządzenia elektryczne opierać się będą na intrygujących właściwościach przewodzących z natury prostego materiału polimerowego.

W wyścigu do komercjalizacji materiałów naukowcy zbadali obszary zastosowań, w których połączenie dobrych właściwości elektrycznych i mechanicznych, a także wszechstronnej przetwarzalności polimerów przewodzących może być zwycięskie. Powłoki antystatyczne, organiczne panele emitujące światło, elastyczne moduły fotowoltaiczne i organiczne tranzystory cienkowarstwowe to tylko niektóre z zastosowań, które zaszły daleko na ścieżce komercjalizacji. Mieszane właściwości przewodnictwa jonowo-elektronicznego niektórych polimerów przewodzących są wykorzystywane w urządzeniach elektrochromowych, a ich biokompatybilność może okazać się korzystna w innych obszarach, takich jak wszczepialna bioelektronika, czujniki biochemiczne i monitorowanie stanu zdrowia. 

Przemysłowe zastosowanie polimerów przewodzących elektryczność to obszar, który jest wciąż przedmiotem intensywnych badań. Odkrycie przewodnictwa elektrycznego nadało sprzężonym polimerom niesamowitą atrakcyjność. Kiedyś były głównie placem zabaw dla chemików, materiałoznawców i inżynierów procesowych, obecnie zaś są jednym z preferowanych materiałów badawczych dla fizyków, elektroników, bioinżynierów i nie tylko. Z niecierpliwością czekamy na to, czy taka współpraca doprowadzi do nowych przełomów – być może nawet do nowych Nagród Nobla. 

Marta Lenartowicz-Klik

Literatura:
https://prezi.com/unsuwa_sbst7/polimery-przewodzace-prad/
https://matmatch.com/blog/electrically-conductive-polymers/
https://www.springer.com/gp/book/9781461333111
Gibas E., „Przetwórstwo tworzyw”, 6 (listopad–grudzień), 2016
Ates M., Karazehira T. i Sarac A., Conducting Polymers and their Applications, „Current Physical Chemistry”, tom 2, s. 224–240, maj 2012
Tanguy N., Thompson M., Yang N., A Review on Advances in Application of Polyaniline for Ammonia Detection, „Sensors and Actuators B: Chemical”, vol. 5, s. 37553–37567, 2015
McWilliams A., „Conductive Polymers: Technologies and Global Markets: PLS043D”, BCC Research

Czytaj więcej:
Polimery 136
Nauka 80