Z materiálu na tesnenia sa stal high-tech zázrak. Vedci premenili bežný silikón na svietiaci polovodič

Vedci z Michiganskej univerzity sa postarali o prekvapenie, keď objavili nový typ silikónu, ktorý sa správa ako polovodič. Ide o úplné prevrátenie doterajšieho presvedčenia, že silikónové materiály sú výlučne izolačné, teda nevedú elektrinu ani teplo. Tento nový objav by mohol spôsobiť revolúciu v oblasti ohybných elektronických zariadení, displejov, senzorov nositeľnej techniky a dokonca aj oblečenia, ktoré by mohlo zobrazovať vzory alebo obrázky priamo na látke. Na tému upozornil portál Phys.

„Tento materiál otvára možnosti pre nové typy plochých displejov, flexibilné solárne články, senzory do nositeľných zariadení či dokonca oblečenie zobrazujúce rôzne vzory alebo obrázky,“ vysvetľuje Richard Laine, profesor materiálového inžinierstva a makromolekulárnej vedy z U-M a hlavný autor štúdie, ktorá vyšla v časopise Macromolecular Rapid Communications.

Prekvapivá vodivosť v silikónovom kopolyméri

Bežné silikónové oleje a gumy, známe ako polysiloxány a silseskviioxány, sú štandardne nevodivé. Práve vďaka tomu sú obľúbené v medicínskych pomôckach, tesneniach či elektronických poťahoch, kde je odolnosť voči vode kľúčová. Na druhej strane, polovodiče ako také sú tradične tuhšie materiály. Spojenie vlastností polovodiča so známou flexibilitou silikónu tak prináša úplne novú kategóriu materiálov.

Na molekulárnej úrovni sa silikóny skladajú zo striedajúcich sa atómov kremíka a kyslíka (Si–O–Si) s pripojenými organickými skupinami. Ich vlastnosti sa dajú ovplyvňovať cez takzvané prepojenia medzi reťazcami, známe ako zosieťovanie. Práve pri skúmaní rôznych typov takéhoto zosieťovania narazil tím na zaujímavý jav. Naďabili na schopnosť viesť elektrinu v kopolyméri, čo je typ polyméru zložený z dvoch rôznych jednotiek. V tomto prípade ide o kombináciu klietkovej štruktúry a lineárnych silikónov.

Ako silikón začal viesť elektrinu

Potenciál elektrickej vodivosti vychádza zo spôsobu, akým môžu elektróny prechádzať cez Si–O–Si väzby s prekrývajúcimi sa orbitálmi. Aby látka vodila elektrinu, elektróny musia prejsť do tzv. excitovaného stavu. Väčšina Si–O–Si väzieb však kvôli uhlu 110° takýto prechod neumožňuje. Nový silikónový kopolymér však začína s väzbovým uhlom 140° a v excitovanom stave sa tento uhol natiahne až na 150°. To už postačuje na vytvorenie „diaľnice“ pre elektrický prúd.

„Toto umožňuje neočakávanú interakciu medzi elektrónmi naprieč viacerými väzbami, vrátane Si–O–Si väzieb v týchto kopolyméroch. Čím je reťazec dlhší, tým jednoduchšie elektróny prechádzajú na väčšie vzdialenosti, čo znižuje potrebnú energiu na pohltenie svetla a jeho následné vyžarovanie pri nižších energiách,“ dodáva Laine.

Silikón, ktorý svieti ako dúha

Zaujímavosťou je, že tieto polovodičové vlastnosti zároveň umožňujú silikónu svietiť rôznymi farbami. Pri prechode medzi základným a excitovaným stavom elektróny absorbujú a následne vyžarujú fotóny. teda častice svetla. Farba závisí od dĺžky polymérového reťazca. Dlhšie reťazce vyžarujú svetlo s nižšou energiou (červené odtiene), kratšie reťazce zas vyššiu energiu (modré odtiene).

Aby to výskumníci demonštrovali, oddelili rôzne dĺžky kopolymérov do skúmaviek, od najdlhších po najkratšie, a nasvietili ich UV svetlom. Výsledkom bola dúha, pretože každá skúmavka absorbovala a vyžarovala svetlo inou intenzitou.

ChatGPT

Takýto farebný efekt je u silikónov úplne výnimočný. Až doposiaľ boli známe len ako priehľadné alebo biele materiály, pretože ich izolačné vlastnosti im nedovoľovali absorbovať veľa svetla. „Z materiálu, ktorý všetci považovali za elektricky neaktívny, vytvárame niečo úplne nové – niečo, čo by mohlo poháňať ďalšiu generáciu mäkkej, ohybnej elektroniky,“ zhrnul Zijing (Jackie) Zhang, doktorand na U-M a hlavný autor štúdie.

Čítajte viac z kategórie: Novinky