Šareni silikon-koji krši pravila i može provoditi struju

Novootkrivena varijanta silikona je poluvodič, otkrili su istraživači sa Sveučilišta u Michiganu-poništavajući pretpostavke da je klasa materijala isključivo izolacijska.

"Materijal otvara priliku za nove vrste ravnih zaslona, ​​fleksibilne fotonaponske elemente, senzore koji se mogu nositi ili čak odjeću koja može prikazati različite uzorke ili slike", rekao je Richard Laine, profesor znanosti o materijalima i inženjeringa te makromolekularne znanosti i inženjerstva u U-M i odgovarajući autor studije nedavno objavljene u Macromolecular Rapid Communications.

Silikonska ulja i gume-polisiloksani i silseskvioksani-tradicionalno su izolacijski materijali, što znači da su otporni na strujanje ili toplinu. Njihova vodootporna-svojstva čine ih korisnima u biomedicinskim uređajima, brtvilima, elektroničkim premazima i više.

U međuvremenu, konvencionalni poluvodiči su obično kruti. Poluvodički silikon ima potencijal omogućiti fleksibilnu elektroniku koju je opisao Laine, kao i silikon koji dolazi u raznim bojama.

Na molekularnoj razini, silikoni se sastoje od okosnice izmjeničnih atoma silicija i kisika (Si-O-Si) s organskim (na bazi ugljika-) skupinama vezanim za silicij. Različite 3D formacije polimernih lanaca nastaju dok se međusobno povezuju, poznate kao unakrsno -vezivanje, koje mijenjaju fizička svojstva materijala poput čvrstoće ili topivosti.

Proučavajući različite strukture unakrsnog{0}}vezivanja u silikonu, istraživački tim naletio je na potencijal električne vodljivosti u kopolimeru, koji je polimerni lanac koji sadrži dvije različite vrste ponavljajućih jedinica-kaveza-strukturiranih, a zatim linearnih silikona u ovom slučaju.

Mogućnost vodljivosti proizlazi iz načina na koji se elektroni mogu kretati preko Si-O-Si veza s preklapajućim orbitalama. Poluvodiči imaju dva glavna stanja: osnovno stanje, koje ne provodi elektricitet, i vodljivo stanje, koje provodi. Provodno stanje, također poznato kao pobuđeno stanje, događa se kada neki elektroni skoče na sljedeću elektronsku orbitalu, koja je povezana preko materijala poput metala.

Tipično, kutovi veze Si-O-Si ne dopuštaju tu vezu. Na 110 stupnjeva daleko su od ravne linije od 180 stupnjeva. Ali u silikonskom kopolimeru koji je tim otkrio, ove veze počinju na 140 stupnjeva u osnovnom stanju-i istežu se do 150 stupnjeva u pobuđenom stanju. To je bilo dovoljno da se stvori autocesta za protok električnog naboja.

"Ovo omogućuje neočekivanu interakciju između elektrona preko višestrukih veza uključujući Si-O-Si veze u ovim kopolimerima", rekao je Laine. "Što je duljina lanca duža, elektronima je lakše putovati veće udaljenosti, smanjujući energiju potrebnu za apsorpciju svjetlosti, a zatim je emitiraju pri nižim energijama."

Poluvodička svojstva silikonskih kopolimera također omogućuju njegov spektar boja. Elektroni skaču između osnovnog i pobuđenog stanja apsorbirajući i emitirajući fotone ili čestice svjetlosti. Emisija svjetlosti ovisi o duljini lanca kopolimera, koju Laineov tim može kontrolirati. Dulji lanci znače manje skokove i manje energije fotona, dajući silikonu crvenu nijansu. Kraći lanci zahtijevaju veće skokove od elektrona, tako da emitiraju svjetlost veće energije prema plavom kraju spektra.

Kako bi pokazali vezu između duljine lanca i apsorpcije i emisije svjetla, istraživači su razdvojili kopolimere s različitim duljinama lanaca i rasporedili ih u epruvete od dugih do kratkih. Osvjetljavanje cijevi UV svjetlom stvara punu dugu jer svaka apsorbira i emitira svjetlost različite energije.

Šareni niz temeljen na duljini lanca kopolimera posebno je jedinstven jer se do ove točke za silikone znalo da su prozirni ili bijeli jer zbog svojih izolatorskih svojstava ne mogu apsorbirati mnogo svjetla.

"Uzimamo materijal za koji su svi mislili da je električki inertan i dajemo mu novi život-koji bi mogao pokretati sljedeću generaciju meke, fleksibilne elektronike", rekao je Zijing (Jackie) Zhang, student doktorskog studija znanosti o materijalima i inženjerstva U-M i glavni autor studije.