Новое исследование: Синтетические полимеры как устойчивая альтернатива минералам в электронике!
Пути сборки PE2-biOE2OE3 в растворе в 1,4-диоксане, диглиме и 1,3-диоксане.
Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, представляет собой значительный прорыв в области материаловедения, позиционируя синтетические полимеры как экологически чистую и экономически выгодную замену дорогостоящим и неустойчивым минералам, традиционно используемым в производстве ключевых электронных компонентов, таких как проводники, транзисторы и диоды. Эти минералы, включая редкие металлы вроде индия, галлия и германия, часто добываются в ограниченных количествах и связаны с экологическими проблемами, такими как загрязнение окружающей среды и этические вопросы добычи. Новые полимеры, разработанные командой ученых из ведущих американских университетов, предлагают путь к более устойчивому производству электроники, потенциально снижая зависимость от дефицитных ресурсов и минимизируя углеродный след.
Проект возглавляется профессорами Ин Диао и Хоакином Родригесом Лопесом из Университета Иллинойса в Урбане—Шампейне, в тесном сотрудничестве с Жан-Люком Бредасом из Университета Аризоны, Джоном Рейнольдсом из Технологического института Джорджии и Дали Сан из Университета штата Северная Каролина. Команда объединяет экспертов в области химической инженерии, материаловедения и теоретической химии, что позволило интегрировать экспериментальные и вычислительные подходы для достижения результатов. Ин Диао, специалист по органическим полупроводникам, и Хоакин Родригес Лопес, эксперт в электрохимии, внесли ключевой вклад в дизайн и тестирование материалов, в то время как Бредас предоставил теоретические модели для понимания электронных свойств, а Рейнольдс и Сан — опыт в синтезе функциональных полимеров.
Ключевые инновационные свойства этих полимеров основаны на двух взаимосвязанных механизмах: контролируемой хиральности и химическом легировании. Хиральность — это свойство молекул не совпадать со своим зеркальным отображением, что в природе часто используется для создания сложных структур, таких как ДНК или белки. В контексте полимеров хиральность может быть достигнута путем постоянного скручивания полимерной цепи, что придает материалу спиральную форму. Это не только повышает структурную стабильность, но и позволяет направлять электрический ток более эффективно, транспортируя электроны с одинаковым направлением вращения — квантовым состоянием, известным как спин. В электронике это может привести к улучшенной проводимости и снижению потерь энергии, что критично для устройств вроде органических транзисторов или гибких дисплеев.
Легирование, второй ключевой элемент, заключается в добавлении химических веществ (добавок) для модификации свойств полупроводника. Этот процесс, давно применяемый в неорганических материалах, таких как кремний, теперь адаптирован для полимеров. Легирование повышает концентрацию носителей заряда (электронов или дырок), улучшая проводимость и стабильность. Однако в полимерных системах этот процесс был менее изучен, и команда обнаружила, что хиральность играет неожиданную роль в его усилении. "Мы были очень удивлены, обнаружив, что структурная хиральность, которая до сих пор не считалась параметром, имеющим отношение к легированию, значительно усиливает химическую реакцию, которая контролирует легирование в полимерах", — отметил Ин Диао, профессор химической и биомолекулярной инженерии в Университете Иллинойса. Это открытие предполагает, что хиральная структура полимера облегчает взаимодействие легирующих агентов с полимерной матрицей, потенциально через влияние на спин электрона, что повышает эффективность переноса заряда.
В лаборатории исследователи экспериментировали с методами обработки растворителями для скручивания полимеров, тщательно контролируя степень хиральности и, как следствие, электропроводность. Ранее проведенные исследования Диао показали, что повышенная хиральность может негативно влиять на подвижность заряда, локализуя электроны и снижая их способность к свободному перемещению, что приводит к падению проводимости. Однако в этом новом исследовании после легирования ситуация изменилась: повышенная хиральность неожиданно способствовала росту проводимости. Команда предлагает гипотезу, что хиральность влияет на спин электрона, создавая условия для более эффективного легирования и, возможно, для квантово-механических эффектов, таких как спин-зависимый транспорт. Это может открыть двери для новых типов полупроводников, где спин электрона используется для управления током, аналогично спинтронике.
Несмотря на впечатляющие результаты, ученые подчеркивают, что точный механизм остается не до конца понятым. "Необходимы дополнительные исследования, чтобы прояснить точные процессы, которые происходят, когда хиральность влияет на проводимость в легированных полимерах", — сказал Диао. Для перехода к коммерческим технологиям потребуется дальнейшая валидация, включая тестирование на масштабируемость, долговечность и интеграцию в реальные устройства. Будущая работа команды сосредоточится на научном подтверждении предложенного механизма с помощью продвинутых спектроскопических методов и компьютерного моделирования, а также на изучении практических применений — от гибкой электроники и солнечных панелей до биосовместимых сенсоров. Эти полимеры могут революционизировать отрасли, где устойчивость и стоимость критичны, способствуя переходу к "зеленой" электронике и снижая зависимость от редких минералов. Исследование не только демонстрирует потенциал органических материалов в современной науке, но и подчеркивает важность междисциплинарного сотрудничества для решения глобальных вызовов.
