Una regla-Silicona colorida i trencadora que podria conduir l'electricitat

Una variant de silicona recentment descoberta és un semiconductor, els investigadors de la Universitat de Michigan han descobert-hipòtesis que la classe de material és exclusivament aïllant.

"El material obre l'oportunitat per a nous tipus de pantalles de pantalla plana, fotovoltaica flexible, sensors portàtils o fins i tot roba que poden mostrar diferents patrons o imatges", va dir Richard Laine, professor de ciència i enginyeria de materials de la U-M i ciència i enginyeria macromolecular i autor corresponent de l'estudi publicat recentment a Macromolecular Rapid Communications.

Els olis i cautxús de silicona-polisiloxans i silsesquioxans-són tradicionalment materials aïllants, és a dir, resisteixen el flux d'electricitat o calor. Les seves propietats-resistents a l'aigua els fan útils en dispositius biomèdics, segelladors, recobriments electrònics i molt més.

Mentrestant, els semiconductors convencionals solen ser rígids. La silicona semiconductora té el potencial de permetre l'electrònica flexible descrita per Laine, així com la silicona que es presenta en una varietat de colors.

A nivell molecular, les silicones estan formades per una columna vertebral d'àtoms alternats de silici i oxigen (Si-O-Si) amb grups orgànics (basats en carboni-) units al silici. Diverses formacions 3D de cadenes de polímers sorgeixen a mesura que es connecten entre si, conegudes com a enllaços creuats, que alteren les propietats físiques del material com la resistència o la solubilitat.

Mentre estudiava diferents-estructures d'enllaç creuat en silicona, l'equip d'investigació va ensopegar amb el potencial de conductivitat elèctrica en un copolímer, que és una cadena de polímer que conté dos tipus diferents d'unitats repetides-gàbia-estructurada i després silicones lineals en aquest cas.

La possibilitat de conductivitat sorgeix de la manera com els electrons es poden moure a través dels enllaços Si-O-Si amb orbitals superposats. Els semiconductors tenen dos estats principals: l'estat fonamental, que no condueix l'electricitat, i un estat conductor, que sí. L'estat conductor, també conegut com a estat excitat, es produeix quan alguns electrons salten fins al següent orbital d'electrons, que està connectat a través del material com un metall.

Normalment, els angles d'enllaç Si-O-Si no permeten aquesta connexió. A 110 graus, estan molt lluny d'una línia recta de 180 graus. Però al copolímer de silicona que l'equip va descobrir, aquests enllaços van començar a 140 graus en estat fonamental-i s'estenen fins a 150 graus en estat excitat. Això va ser suficient per crear una carretera perquè fluís la càrrega elèctrica.

"Això permet una interacció inesperada entre electrons a través de múltiples enllaços, inclosos els enllaços Si-O{-Si en aquests copolímers", va dir Laine. "Com més llarga sigui la cadena, més fàcil serà que els electrons recorren distàncies més llargues, reduint l'energia necessària per absorbir la llum i després emetre-la a energies més baixes".

Les propietats semiconductores dels copolímers de silicona també permeten el seu espectre de colors. Els electrons salten entre el sòl i els estats excitats absorbint i emetent fotons, o partícules de llum. L'emissió de llum depèn de la longitud de la cadena de copolímers, que l'equip de Laine pot controlar. Les longituds de cadena més llargues signifiquen salts més petits i fotons d'energia més baixos, donant a la silicona un to vermell. Les cadenes més curtes requereixen salts més grans dels electrons, de manera que emeten una llum d'energia més alta cap a l'extrem blau de l'espectre.

Per demostrar la connexió entre la longitud de la cadena i l'absorció i emissió de llum, els investigadors van separar copolímers amb diferents longituds de cadena i els van disposar en tubs d'assaig de llargs a curts. Brillar una llum UV als tubs crea un arc de Sant Martí complet, ja que cadascun absorbeix i emet la llum a diferents energies.

La matriu colorida basada en la longitud de la cadena de copolímers és particularment única perquè fins ara, les silicones només se sap que són transparents o blanques perquè les seves propietats aïllants les fan incapaços d'absorbir molta llum.

"Estem agafant un material que tothom pensava que era elèctricament inert i li donem una nova vida-que podria alimentar la propera generació d'electrònica suau i flexible", va dir Zijing (Jackie) Zhang, estudiant de doctorat de la U-M en ciència i enginyeria de materials i autor principal de l'estudi.