Меню

Полимеры которые проводят электрический ток

Проводящий полимер — Conductive polymer

Проводящие полимеры или, точнее, собственно проводящие полимеры (ICP) — это органические полимеры , проводящие электричество . Такие соединения могут иметь металлическую проводимость или могут быть полупроводниками . Самым большим преимуществом проводящих полимеров является их обрабатываемость, в основном, путем диспергирования . Электропроводящие полимеры обычно не являются термопластами , т. Е. Они не поддаются термоформованию. Но, как и изоляционные полимеры, они являются органическими материалами. Они могут обладать высокой электропроводностью, но не обладают механическими свойствами, аналогичными другим коммерчески доступным полимерам. Электрические свойства можно точно настроить с помощью методов органического синтеза и передовых методов диспергирования.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 История
  • 2 Типы
  • 3 Синтез
  • 4 Молекулярные основы электропроводности
  • 5 Свойства и приложения
    • 5.1 Электролюминесценция
    • 5.2 Барьеры для приложений
    • 5.3 Тенденции
  • 6 См. Также
  • 7 ссылки
  • 8 Дальнейшее чтение
  • 9 Внешние ссылки

История

Полианилин был впервые описан в середине 19 века Генри Летеби , который исследовал продукты электрохимического и химического окисления анилина в кислой среде. Он отметил, что восстановленная форма была бесцветной, но окисленные формы были темно-синими.

Первыми высокопроводящими органическими соединениями были комплексы с переносом заряда . В 1950-х годах исследователи сообщили, что полициклические ароматические соединения образуют полупроводящие комплексные соли с переносом заряда с галогенами. В 1954 году исследователи из Bell Labs и других организаций сообщили об органических комплексах с переносом заряда с удельным сопротивлением всего 8 Ом-см. В начале 1970-х исследователи продемонстрировали, что соли тетратиафульвалена демонстрируют почти металлическую проводимость, а сверхпроводимость была продемонстрирована в 1980 году. Широкие исследования солей с переносом заряда продолжаются и сегодня. Хотя эти соединения технически не были полимерами, это указывало на то, что органические соединения могут переносить ток. В то время как органические проводники ранее периодически обсуждались, область особенно активизировалась предсказанием сверхпроводимости после открытия теории БКШ .

В 1963 г. австралийцы Б.А. Болто, Д.Е. Вайс и соавторы сообщили о производных полипиррола с удельным сопротивлением всего 1 Ом · см. Ссылка и цитируют многочисленные сообщения об аналогичных окисленных полиацетиленах с высокой проводимостью. За исключением комплексов с переносом заряда (некоторые из которых даже являются сверхпроводниками ), органические молекулы ранее считались изоляторами или, в лучшем случае, слабопроводящими полупроводниками . Впоследствии ДеСурвиль и его коллеги сообщили о высокой проводимости полианилина. Точно так же в 1980 году Диаз и Логан сообщили о пленках полианилина, которые могут служить электродами.

Хотя «молекулярные» электронные процессы в основном работают в квантовой области размером менее 100 нанометров, они могут коллективно проявляться на макроуровне. Примеры включают квантовое туннелирование , отрицательное сопротивление , прыжки с помощью фононов и поляроны . В 1977 году Алан Дж. Хигер , Алан МакДиармид и Хидеки Ширакава сообщили о такой же высокой проводимости в окисленном полиацетилене, допированном йодом. За это исследование они были удостоены Нобелевской премии по химии 2000 г. «за открытие и разработку проводящих полимеров». Сам по себе полиацетилен не нашел практического применения, но привлек внимание ученых и способствовал быстрому развитию этой области. С конца 1980-х годов органические светодиоды (OLED) стали важным направлением применения проводящих полимеров.

«Полимерные сажи» с линейной основной цепью ( полиацетилен , полипиррол , полииндол и полианилин ) и их сополимеры являются основным классом проводящих полимеров. Поли (п-фениленвинилен) (PPV) и его растворимые производные появились как прототипы электролюминесцентных полупроводниковых полимеров. Сегодня поли (3-алкилтиофены) являются типичными материалами для солнечных элементов и транзисторов.

В следующей таблице представлены некоторые органические проводящие полимеры в соответствии с их составом. Хорошо изученные классы выделены жирным шрифтом, а менее изученные — курсивом .

N находится вне ароматического цикла:

S находится вне ароматического цикла:

Синтез

Электропроводящие полимеры получают разными способами. Большинство проводящих полимеров получают путем окислительного связывания моноциклических предшественников. Такие реакции влекут за собой дегидрирование :

n H– [X] –H → H– [X] n –H + 2 (n – 1) H + + 2 (n – 1) e —

Низкая растворимость большинства полимеров создает проблемы. Некоторые исследователи добавляют солюбилизирующие функциональные группы к некоторым или всем мономерам для увеличения растворимости. Другие решают эту проблему за счет образования наноструктур и дисперсий проводящих полимеров, стабилизированных поверхностно-активными веществами, в воде. К ним относятся полианилиновые нановолокна и PEDOT : PSS . Во многих случаях молекулярные массы проводящих полимеров ниже, чем у обычных полимеров, таких как полиэтилен. Однако в некоторых случаях молекулярная масса не обязательно должна быть высокой для достижения желаемых свойств.

Есть два основных метода, используемых для синтеза проводящих полимеров: химический синтез и электро (со) полимеризация. В химическом синтезе соединительного средство углерода-углеродной связь мономеров путем размещения простых мономеров при различном состоянии, таких как нагрев, прессование, освещенность и катализатор. Преимущество — высокая урожайность. Однако в конечном продукте есть много вероятных примесей. Электро (со) полимеризация означает введение трех электродов (электрода сравнения, противоэлектрода и рабочего электрода) в раствор, включая реакторы или мономеры. Подавая напряжение на электроды, ускоряется окислительно-восстановительная реакция для синтеза полимера. Электро (со) полимеризацию также можно разделить на циклическую вольтамперометрию и потенциостатический метод с применением циклического напряжения и постоянного напряжения. Преимущество электро (со) полимеризации — высокая чистота продуктов. Но этот метод позволяет синтезировать только несколько продуктов за раз.

Молекулярные основы электропроводности

Электропроводность таких полимеров является результатом нескольких процессов. Например, в традиционных полимерах, таких как полиэтилены , валентные электроны связаны ковалентными связями с гибридизацией sp 3 . Такие «сигма-связывающие электроны» имеют низкую подвижность и не вносят вклад в электропроводность материала. Однако в сопряженных материалах дело обстоит совершенно иначе. Проводящие полимеры имеют основу из смежных sp 2 -гибридизированных углеродных центров. Один валентный электрон на каждом центре находится на ap z- орбитали, которая ортогональна трем другим сигма-связям. Все p z -орбитали объединяются друг с другом в делокализованный набор орбиталей размером в молекулу. Электроны на этих делокализованных орбиталях обладают высокой подвижностью, когда материал «легирован» окислением, которое удаляет некоторые из этих делокализованных электронов. Таким образом, сопряженные p-орбитали образуют одномерную электронную полосу , и электроны в этой полосе становятся мобильными, когда она частично опорожняется. Зонные структуры проводящих полимеров можно легко рассчитать с помощью модели сильной связи . В принципе, эти же материалы можно легировать восстановлением, которое добавляет электроны к незаполненной в противном случае зоне. На практике большинство органических проводников имеют окислительное легирование с образованием материалов p-типа. Редокс — легирование органических проводников аналогично легирования кремниевых полупроводников, в результате чего небольшая часть атомов кремния заменены богатыми электронами, например , фосфора или электрон-бедных, например , бора , атомы для создания п-типа и р полупроводники соответственно.

Хотя обычно «легирование» проводящих полимеров включает окисление или восстановление материала, проводящие органические полимеры, связанные с протонным растворителем, также могут быть «самодегированными».

Нелегированные сопряженные полимеры — это полупроводники или изоляторы. В таких соединениях запрещенная зона может составлять> 2 эВ, что слишком велико для термически активируемой проводимости. Следовательно, нелегированные сопряженные полимеры, такие как политиофены, полиацетилены, имеют только низкую электрическую проводимость примерно от 10 -10 до 10 -8 См / см. Даже при очень низком уровне легирования ( Свойства и приложения

Электропроводящие полимеры являются многообещающими антистатическими материалами, и их используют в коммерческих дисплеях и батареях. Литература предполагает, что они также являются многообещающими в органических солнечных элементах , печатных электронных схемах , органических светодиодах , исполнительных элементах , электрохромизме , суперконденсаторах , химических датчиках , массивах химических датчиков и биосенсорах , гибких прозрачных дисплеях, электромагнитном экранировании и, возможно, замене популярных прозрачных проводник из оксида индия и олова . Еще одно применение — это покрытия, поглощающие микроволновое излучение, в частности, покрытия, поглощающие радары, на самолетах-невидимках . Проводящие полимеры быстро завоевывают популярность в новых сферах применения, где все чаще обрабатываются материалы с лучшими электрическими и физическими свойствами и более низкими затратами. Новые наноструктурированные формы проводящих полимеров, в частности, дополняют эту область своей более высокой площадью поверхности и лучшей диспергируемостью. Отчеты об исследованиях показали, что наноструктурированные проводящие полимеры в форме нановолокон и наногубок показали значительно улучшенные значения емкости по сравнению с их ненаноструктурированными аналогами.

Читайте также:  Все про трехфазный ток

Благодаря наличию стабильных и воспроизводимых дисперсий ПЭДОТ и полианилин получили широкое применение. В то время как PEDOT ( поли (3,4-этилендиокситиофен) ) в основном используется в антистатических приложениях и в качестве прозрачного проводящего слоя в виде дисперсий PEDOT: PSS (PSS = полистиролсульфоновая кислота ), полианилин широко используется для производства печатных плат — в Финишная отделка для защиты меди от коррозии и предотвращения ее паяемости. Более того, полииндол также начинает привлекать внимание к различным приложениям из-за его высокой окислительно-восстановительной активности, термической стабильности и медленного разложения по сравнению с полианилином и полипирролом конкурентов.

Электролюминесценция

Электролюминесценция — это световое излучение, вызванное электрическим током. В органических соединениях электролюминесценция была известна с начала 1950-х годов, когда Бернаноза и его сотрудники впервые вызвали электролюминесценцию в тонких кристаллических пленках акридинового оранжевого и хинакрина. В 1960 году исследователи из Dow Chemical разработали электролюминесцентные элементы с переменным током, используя допинг. В некоторых случаях подобное излучение света наблюдается при приложении напряжения к тонкому слою проводящей пленки органического полимера. В то время как электролюминесценция изначально представляла в основном академический интерес, повышенная проводимость современных проводящих полимеров означает, что через устройство можно пропускать достаточно энергии при низком напряжении, чтобы генерировать практическое количество света. Это свойство привело к разработке плоских дисплеев с использованием органических светодиодов , солнечных панелей и оптических усилителей .

Барьеры для приложений

Поскольку большинство проводящих полимеров требуют окислительного легирования, свойства полученного состояния имеют решающее значение. Такие материалы являются солеоподобными (полимерная соль), что снижает их растворимость в органических растворителях и воде и, следовательно, их обрабатываемость. Кроме того, заряженный органический каркас часто нестабилен по отношению к атмосферной влажности. Плохая технологичность многих полимеров требует введения солюбилизаторов или заместителей, что может еще больше усложнить синтез.

Экспериментальные и теоретические термодинамические данные свидетельствуют о том, что проводящие полимеры могут быть даже полностью и принципиально нерастворимыми, так что их можно обрабатывать только путем диспергирования .

Тенденции

В последнее время особое внимание уделяется органическим светодиодам и солнечным элементам из органических полимеров . Ассоциация органической электроники — это международная платформа для продвижения приложений органических полупроводников . Продукты из проводящего полимера со встроенной и улучшенной защитой от электромагнитных помех (EMI) и электростатического разряда (ESD) привели к созданию как прототипов, так и продуктов. Например, Исследовательский центр полимерной электроники при Оклендском университете разрабатывает ряд новых технологий датчиков ДНК на основе проводящих полимеров, фотолюминесцентных полимеров и неорганических нанокристаллов (квантовых точек) для простого, быстрого и чувствительного обнаружения генов. Типичные проводящие полимеры должны быть «легированы» для получения высокой проводимости. По состоянию на 2001 год еще предстоит открыть органический полимер, который по своей природе является электропроводящим. Недавно (по состоянию на 2020 год) исследователи из института нанонауки IMDEA сообщили об экспериментальной демонстрации рациональной инженерии одномерных полимеров, расположенных вблизи квантового фазового перехода из топологически тривиального в нетривиальный класс, таким образом, с узкой запрещенной зоной.

Источник

Электропроводящие полимеры

Электропроводящие полимеры — новый класс полимеров, появившихся сравнительно недавно. В последние годы это направление в полимерной химии стремительно развивается. Использование полимерных материалов в качестве носителей электропроводящих наполнителей известно уже давно. Традиционные электропроводящие полимерные материалы представляют собой композиции на основе различных полимеров (тер-мо- и реактопласты) и электропроводящих наполнителей (сажа, графит, углеродные, металлические и металлизированные волокна, металлическая пудра) и применяются в антистатических изделиях, электромагнитных защитных покрытиях, высоко-омных резисторах, электрических неметаллических нагревателях и токопроводящих лаках. Однако в настоящее время появились новые материалы, в которых электропроводностью обладают уже сами макромолекулы или определенным образом построенные надмолекулярные образования, так называемые «супрамолекулы»-ассоциаты, включающие в свою структуру как органические макромолекулы так и неорганические ионы.

За развитие этого направления в науке в последнее время неоднократно присуждались Нобелевские премии. Например, в 1996 г. премия присуждена англичанину Г. Крото и американцам Р. Карл и Р. Смелли за открытие фуллеренов. В1999 г. премия присуждена Де Жену за теорию жидких молекулярных кристаллов, в 2000 г. премия присуждена американцу Аллану Хигеру и химикам А. Макдиармиду (США) и X. Ширакава (Япония) за развитие электропроводящих полимеров. И, наконец, в 2003 г. Гинзбургу (Россия) за разработку теории проводимости в полимерах.

Можно представить три основных варианта переноса электронов в макромолекулярном веществе: 1 — транспорт электронов, осуществляемый окислительно-восстановительными молекулами, играющими роль подвижных переносчиков; транспорт может сопровождаться или не сопровождаться переносом электрона от одного переносчика к другому при их встрече; 2 — «прыжковый» электронный перенос между окислительно-восстановительными группами, связанными с основным молекулярным каркасом или собранными в супра-молекулярный ассоциат за счет нековалентных взаимодействий; 3 — электронная проводимость вдоль системы сопряженных ти-связей, в которую могут входить другие группы, способные к передаче электрона, например напряженные циклические структуры, гетероатомы, имеющие свободные, не участвующие в образовании связей, электроны. В осуществлении процесса переноса электронов могут участвовать как органические так и неорганические компоненты.

В идеальном случае для полимеров с системой сопряженных двойных связей возможны два типа веществ с сопряженными связями: с зоной, заполненной наполовину (металлическая модель) и с зоной, заполненной полностью — полупроводниковая модель. Во всех случаях удлинение участков сопряжения, реализуемое в полимерах, должно приводить к увеличению проводимости, так как оно сопровождается как уменьшением ширины запрещенной зоны, так и уменьшением числа межмолекулярных барьеров, которые необходимо преодолевать носителям тока при их направленном движении под действием внешнего электрического поля. Механизм проводимости полимеров должен включать следующие элементы: возникновение свободных носителей тока, движение этих носителей в области полисопряжения и переход носителей от одного участка сопряжения к другому. Предполагается, что полимер представляет собой электронно-неоднородную систему, в которой области полисопряжения, характеризующиеся металлической проводимостью, разделены диэлектрическими участками. Перенос носителей через диэлектрические прослойки и является активаци-онным барьером. Полупроводниковые свойства полимера должны зависеть от общей протяженности системы сопряженных связей, компланарности структуры основной цепи, природы боковых групп, от наличия в цепи сопряжения гетероато-мов, имеющих на внешней орбите электроны, не участвующие в образовании химической связи и др.

Полимеры с сопряженными связями обладают полупроводниковыми свойствами и в них можно инжектировать электроны с присоединенного к ним металлического электрода. Электропроводность таких полимеров чувствительна к освещению и поэтому на их основе можно создавать различные светочувствительные устройства, например полимерные световоды. На основе таких полимеров уже созданы световоды, полупроводниковые транзисторы и теристоры. В ближайшее время на основе таких полимеров вполне вероятно будут созданы реально плоские телевизорные экраны, дорожные знаки, плоские дисплеи компьютерных мониторов, светящиеся белым светом внутренние стены медицинских учреждений.

Читайте также:  Какое устройство может служить источником тока

Электронная структура молекул полимера с сопряженными связями в невозбужденном состоянии находится в равновесии и их электропроводность, как правило, мала (о

1>. Чтобы превратить такие полимеры в электропродящие их модифицируют химически или электрохимически — «допируют». Допирование — это процесс придания полимерам свойств электропроводности. В зависимости от допирующего компонента различают р-допирование, когда допирующий элемент стягивает на себя электроны и n-допирование, когда допирующий элемент отдает электроны. Техника допирования несложна, но имеет свою специфику, так как желательно добиться как можно более равномерного распределения «допанта» (вещества, которым допируют полимер).

Тонкие пленки полиацетилена, например, нанесенные в виде покрытий на полимерную подложку (полиэтилен, стекло и др.) получают погружением носителя в раствор катализатора, в качестве которого может быть использован NaBH4xCo(NO3)2 при температуре -80°, а затем при -30° обработанную подложку вносят в атмосферу ацетилена. При этом полимеризация ацетилена, сорбированного на подложке, происходит за несколько секунд. После удаления катализатора получившуюся пленку полиацетилена обрабатывают допантом (например парами иода: проводимость более 200 ом^.см»1). Полученная пленка по внешнему виду напоминает алюминиевую фольгу, а по эластичности соответствует подложке (полиэтилен). Такой полупроводник является полупроводником р-типа (движение (+) зарядов — «дырок» после введения допанта в полимере увеличивается в триллион раз, что и обеспечивает проводимость). Пятифтористый мышьяк, хлор, бром увеличивают проводимость р-типа. Введение К, Na, AsF5 (более 1%) резко меняет проводимоть от дырочной к металлической, величина которой зависит от количества допанта. Полимерные листы из допированного полиацетилена способны преобразовывать световую энергию в электрическую с КПД близким к КПД кремниевых солнечных батарей (после термокаталитического старения проводимость 105 ом^.см»1).

В отличие от ацетилена пиррол (получаемый из каменноугольной смолы) полимеризуется значительно легче электрохимическим способом. Полипиррол образует пленку на одном из электродов ячейки при пропускании через его раствор электрического тока. Допирование полипиррола проводят также электрохимическим методом. Стабилизируют его свойства, осаждая его на ПВХ-по-ристую мембрану. Использование мембраны обеспечивает свободный ток ионов. Таким путем получают полипиррольные электроды, которые могут использоваться в аккумуляторных батареях. Можно изготовлять пластины и прессованием порошка полипиррола, получаемого полимеризацией в растворе (метанол, окислитель FeCl3 + FeCl2 окислительный потенциал 500 мВ, пиррол/FeCl3 — 233, 0-20°, 20 мин.). Электропроводность полученного полимера 190-220 ом»1, см»1. Пленки полипиррола получают осаждением из водного раствора РеС13 на подложку из полиэтилентерефталата с покрытием из полиметилметакрилата . Описаны также и другие методы допирования .

В результате химического взаимодействия с донорами электронов или акцепторами электронов проводимость указанных выше полимеров с сопряженными двойными связями может достигать проводимости ртути. Электропроводность электропроводящих полимеров связана с подвижностью электронов в полимерных молекулах, в которых тс-электронное облако, образованное системой сопряженных связей при допировании, приходит в возбужденное состояние. Такое состояние и обеспечивает электропроводность, близкую к металлической.

Сопряженные полиолефиновые цепи, несущие электроно-акцепторную группу на одном конце и электроне-донорную на другом, представляют собой поляризованные молекулярные провода, которые должны обладать свойствами предпочтительного электронного переноса, имея «дырочную» или «электронную» проводимость, т.е. они должны работать как выпрямители. Описано несколько таких устройств. Авторы работы предполагают, что дальнейшее развитие работ по «дизайну» молекулярных проводов может происходить по следующим направлениям: 1 — замена сопряженного полиолефинового фрагмента такими структурами как конденсированные олиготиофены, олигопирролы, ароматические группы или центры координации металлов; 2 — варьирование концевых групп, активных в окислительно-восстановительных процессах, которые одновременно могут также играть роль «якоря», прикрепляющего молекулу проводника к подложке; 3 — организация фрагментов, играющих роль молекулярных проводов, образованных за счет ассоциации и самосборки, основанной на процессах распознания.

Первые поколения полимеров с сильно развитой системой сопряженных связей появившиеся в восьмидесятые годы прошлого века отличались ограниченной растворимостью, они неплавки и трудно прессуемы. С того времени исследователи разработали полимеры с внутренней проводимостью (ПВП), которые возможно перерабатывать в порошок, пленку, волокно различными методами с применением растворителей и катализаторов. Новое поколение ПВП более легко поддается обработке. Они стабильны на воздухе и даже могут быть смешаны с другими полимерами для получения составов с заданной электропроводностью.

В качестве электропроводящих и полупроводящих материалов в литературе описаны также комплексы полимеров с металлами, в частности с металлами переходной валентности, в которых рецепторами являются полимерные органические структуры с системой сопряженных связей, а субстратами — металлы переходной валентности.

Существует несколько способов связывания субстрата с рецептором, зависящих от пространственного строения молекулы рецептора. Если связывание субстрата и рецептора происходит через полость, имеющуюся в пространственном строении молекулы рецептора, то такие ансамбли часто называют комплексами включения или крипта-тами. Путем варьирования природы и числа участвующих в связывании фрагментов и соединительных мостиков можно получить различные мак-рополициклические структуры, которые при связывании с ионами металлов дают биядерные крип-таты различных типов. Было синтезировано множество лигандов, образующих биядерные комплексы. Для этого использовались различные реакции типа амин + карбонил = имин. Эти лиганды образуют биядерные комплексы металлов, а также каскадные комплексы с мостиковыми группами.

Описано большое количество структур образованных полиядерными кластерами металлов,которые характеризуются различными геометрическими параметрами. Некоторые из этих кластеров могут служить прототипами «супрамолекуляр-ных» металлов и обладать металлической электропроводностью. Получены гигантские кластеры, содержащие 70-146 атомов меди или 309-561 атом палладия, проявляющие металлические свойства. Перспективны также хелатные соединения металлов.

В качестве электропроводящих полимеров используются также различные производные фуллеренов.

Проводящие полимеры используются главным образом в качестве антикоррозийного покрытия, для защиты крупных металлических сооружений, например мостов. Допи-рованные полимеры используются в настоящее время в качестве различных антистатических добавок, в частности, антистатический слой из полианилина защищает компьютерные диски, выпускаемые компанией Хитачи. Такие полимеры представляют интерес для антирадарных покрытий, в создании световодов, в мембранных технологиях для разделения полярных жидкостей и газов, для чувствительных газовых и сенсоров, в литографических процессах и фотографии. Процесс допирования и дедопи-рования полимеров может управляться внешним напряжением, что используется для создания легких аккумуляторных батарей.

Перспективным направлением использования электропроводящих полимеров легко поддающихся формированию и обработке — миниатюризация в микроэлектронике с использованием в электронных твердотельных схемах компонентов нужной конфигурации с размерами молекулярного уровня . Вероятно использование электропроводящих полимеров в конденсаторах, элементах памяти компьютеров, фотопреобразователях. В последнее время появилось много публикаций, особенно в Интернете о других областях применения электропроводящих полимеров. Сообщается, что некоторые из них при воздействии электрического напряжения или при химических воздействиях изменяют цвет, что используется при создании электронных оптических переключателей и устройств памяти. Электропроводящие полимеры перспективны для создания межэлементарных соединений с размерами молекулярного подуровня (1 нм), для изготовления высоковольтных кабелей, допированных таким образом, что проводящей частью окажется центральная, а наружная будет изолятором, в различных устройствах электротехнического и электронного оборудования и электроприборостроения.

Прогресс вычислительной техники связывают с сочетанием электронных и оптических методов обработки информации. Фотоэлектронные компьютеры работают в тысячи раз быстрее, с высокой плотностью записи информации. Голографичес-кую внешнюю память, основанную на фотореф-рактивном эффекте (изменение физических свойств под действием света) обеспечивает, например, фотореактивный поли-1ХГ-винилкарбазол.

Читайте также:  Каким токов варить уголок

Исследователи фирмы «Кодак» получили трехслойную полимерную пленку, которая удваивает частоту излучения идущего от полупроводникового лазера — переводит свет из близкого ИК-диапо-зона в видимый голубой, что позволяет более плотно записывать информацию на компакт-диске. За счет изменения состава боковых групп полиацетилена получен полидиацетилен, легче растворимый. Из него легче формировать пленки, которые являются фоторефрактивными жидкокристаллическими полупроводниками. С использованием то-копроводящих полимеров разработаны транзисторы с затвором и электронными переключателями (электрическим током между входом и выходом управляет специальный электрод-затвор). Переход к чисто полимерным устройствам позволит использовать простые методы трафаретной печати на изолирующий слой из полиэтилентерефталатной пленки. В таком устройстве на полиэтилентереф-талатную пленку наносят пасту, бислой закрепляют на гибкой ленте матрицы, сверху изолятора из того же электропроводящего полимера делают входной и выходной электроды (органический полупроводник — дигексилсесквитиофен, содержащий шесть тиофеновых блоков). На смену тяжелым свинцовым, кадмий-никелевым, железо-никелевым аккумуляторам в настоящее время пришли литиевые. Использование электропроводящих полимеров для изготовления активных частей источников тока позволяет исключить применение для них тока цветных металлов и снизит массу аккумуляторов вдвое, обеспечить электрохимическую обратимость, реализует большие значения удельной мощности и энергоемкости и безотходную технологию их изготовления.

Разработан ряд интересных токопроводящих полимеров. Так гель на основе поликротоновой кислоты в слабощелочных водных растворах способен изменять свой объем под действием электрического тока. Британская компания Геловейтен разработала материал, способный менять свои свойства от диэлектрика до проводника. В Англии разработаны полимерные светодиоды, на основе полимеров с чередующимися фениленовыми и винильными группами и боковыми группами ОС6Н13 и CN. При помещении такой пленки между электродами она испускает желто-зеленый свет. Они перспективны для создания экранов телевизоров и дисплеев.

«Химическая промышленность сегодня», №5, 2007

Источник

Электропроводящие полимеры

Связанные понятия

300 К) полупроводниковых приборов. Удельная электрическая проводимость σ при 300 К составляет 10−4−10

10 Ом−1·см−1 и увеличивается с ростом температуры. Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т. п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.

Углеродная нанотрубка (сокр. УНТ) — это аллотропная модификация углерода, представляющая собой полую цилиндрическую структуру диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.

Твёрдые растворы — фазы переменного состава, в которых атомы различных элементов расположены в общей кристаллической решётке.

Стеклянные электроды — тип ионоселективных электродов, сделанных из легированных стеклянных мембран, которые чувствительны к специфическим ионам, используемые для определения концентрации ионов в растворе. Важная часть приборов химического анализа и физико-химических исследований. В современной практике широко применяются мембранные ионоселективные электроды (ИСЭ, в том числе и стеклянные), являющиеся частью гальванического элемента. Электрический потенциал электродной системы в растворе чувствителен.

Сенсибилизированные красителем солнечные батареи — фотоэлектрохимические ячейки, в которых используются фоточувствительные мезопористые оксидные полупроводники с широкой запрещённой зоной. Эти ячейки изобретены в 1991 году Гретцелем и др., по имени которого и получили название ячеек Гретцеля.

Гибридные материалы (англ. hybrid materials) — материалы, полученные за счёт взаимодействия химически различных составляющих (компонентов), чаще всего органических и неорганических, формирующих определенную (кристаллическую, пространственную) структуру, отличающуюся от структур исходных реагентов, но часто наследующую определенные мотивы и функции исходных структур.

5⋅103 Вт·м−1·К−1 соответственно). Высокая подвижность носителей.

Источник



Токопроводящие полимеры

Токопроводящие полимеры

В условиях современной экономии всё стремится в сторону снижения стоимости продукции. Уже сейчас ученые говорят, что использование проводников из металла будет нецелесообразным в ближайшем будущем. На смену им должны прийти так называемые токопроводящие полимеры. Основной проблемой при создании современных проводов является чрезмерно высокая цена исходного материала. Сейчас основой является медь и алюминий. Запасы второго металла практически неограниченны, а вот медные рудники на данный момент практически полностью истощены, а новых месторождений открыто за последние 20 лет совсем немного. Поэтому проблема остаётся актуальной для большинства развивающихся стран. Пластиковые провода и кабели являются заманчивой перспективой, ведь можно будет снизить стоимость линий электропередач на 95%.

Полимеры, способные проводить электричество кажутся фантастикой, но на самом деле исследования в данном направлении проводятся с середины 1950-х годов. Сейчас эта тематика снова активно обсуждается из-за постоянно растущей актуальности.

Металлизированные пластики

Сам полимерный материал не обладает достаточным количеством проводимости, но он насыщается частицами металла на микроскопическом уровне. В нём имеется определенная структура, а медь или алюминий включены в кристаллическую решетку. Единственным нюансом является то, что нет мощного сечения, способного выдерживать нагрузку. Они годятся, разве что, для передачи разнообразных сигналов на расстояния. Их использование возможно только в радиотехнике и прочих деталях, где нет сильного напряжения. Они используются активно в различной точной аппаратуре, но сейчас нет способов массового производства. Ещё одним их преимуществом является существенное снижение массы готовых изделий. Можно добиться примерно 25% потери веса. Это очень актуально для освоения космоса и авиации, где каждый килограмм обходится слишком дорого. Большинство этих полимерных субстанций полностью прозрачны, они больше напоминают качественную рыболовную леску произвольной толщины. Их дополнительной положительной особенностью является то, что для сваривания не нужно использовать припой. Также они очень сложно контактируют с обычными металлическими частями, ведь образование малейшего окисла создаёт препятствие на границе сред. Мы не будем атаковать читателя сложными формулами и химическими наименованиями, но вся эта продукция до сих пор не имеет коммерческих сокращенных имён. Большая часть разработок находится лишь в лабораторной стадии. Но можно сказать, что здесь имеется множество возможностей по совершенствованию возможностей. Данное направление активно развивается НАСА и Роскосмосом.

Настоящие токопроводящие полимеры

Сейчас имеется ряд полимеров на базе полиацетилена, полипирролов, полианилин и разнообразные венилены. Они достаточно хорошо проводят электрический ток, приблизительно на одном уровне с железом. Но их существенным недостатком является расплавление при повышении нагрузки. Поэтому для их использования необходимо устанавливать крайне стабильные трансформаторные батареи. Несложно догадаться, к чему может привести короткое замыкание. Если медные провода, находящиеся рядом, легко переживают инцидент, то пластик сплавится в единый комок. Ещё одним неприятным моментом является крайне сложный синтез. Установка по производству этих пластиков стоит значительно дороже, чем крупный плавильный цех.

Токопроводящие полимеры

Перспективы развития

Уже в ближайшие 20-30 лет медные и алюминиевые провода могут полностью утратить былую актуальность. Они уже сейчас постепенно отходят в прошлое из-за слишком низкой потребности в прохождении больших токов. Светодиодные элементы не нуждаются в большом напряжении для яркого свечения. Основной проблемой при освоении токопроводящих полимеров является централизованная смена всех проводников. Некоторые кабельные системы, глубоко заделанные в землю, служат уже около 60-70 лет. В качестве примера можно привести линии трамвайных и троллейбусных управлений, метрополитена, ключевые съёмные проводники гидроэлектростанций и атомных реакторов.

Источник