Jeśli przesadą jest stwierdzenie, że obwody organiczne i drukowane rewolucjonizują mikroelektronikę, to jest ona bardzo mała. Nigdy wcześniej dystans pomiędzy badaniami podstawowymi a ich praktycznym zastosowaniem nie zmniejszał się w tak szybkim tempie. Dlatego też temat ten był jednym z głównych na międzynarodowej specjalistycznej wystawie tworzyw sztucznych i gumy „K-2013” ​​(16–23 października 2013, Dusseldorf), na której odbyła się specjalna innowacyjna sekcja wystawy – Printed Electronics – zapewniły odwiedzającym szerokie możliwości zapoznania się z technologiami druku, powierzchniami funkcjonalnymi, rozwiązaniami RFID, elastycznymi wyświetlaczami, a także rozwiązaniami OLED.

W ciągu ostatnich dziesięciu lat świat przeżył boom w rozwoju elektroniki organicznej i drukowanej; Setki firm i instytutów badawczych ścigają się, aby zdobyć nowy rynek, który rośnie wykładniczo (patrz rysunek) i przewiduje się, że w ciągu dziesięciu lat wzrośnie o rząd wielkości.

Uważa się, że historia tego kierunku naukowego rozpoczęła się w 1977 r., kiedy chemicy Alan Heeger, Alan McDiarmid i Hideki Shirakawa opublikowali wyniki swoich badań, które wykazały, że poliacetylen modyfikowany halogenami może przewodzić prąd elektryczny prawie jak metal. To odkrycie i inne podstawowe badania w dziedzinie polimerów organicznych przyczyniły się do rozwoju elektroniki organicznej, która łączy osiągnięcia fizyki ciała stałego i molekularnej, chemii organicznej i nieorganicznej, nauki o materiałach polimerowych, elektroniki i poligrafii. W 2000 roku twórcy tego przełomowego kierunku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii „za odkrycie przewodnictwa w polimerach”.

Nowe funkcje

W imię nowej generacji mikroelektroniki – tak zwanej elektroniki organicznej i drukowanej – terminu „organiczny” używa się z prostego powodu: nie buduje się już maleńkich płytek drukowanych z niezliczoną liczbą tranzystorów, czujników, diod LED i obwodów łączących. na bazie arsenku krzemu i galu, ale na bazie pochodnych węgla. Termin „drukowane” oznacza, że ​​można je nakładać na lekkie, elastyczne, a nawet przezroczyste podłoża, które nawijane są bezpośrednio z rolek powszechnie stosowanymi metodami druku (sitodruk, atrament, fleksodruk) w postaci płaskich wzorów płytek drukowanych oraz strukturalnych. jednostki, które obecnie mają grubość rzędu kilkudziesięciu mikrometrów.

Inną aktywnie promowaną opcją ich wytwarzania, na przykład przy produkcji fotokomórek organicznych, jest sekwencyjne osadzanie gazowe warstw funkcjonalnych w próżni.
Przykładami praktycznego zastosowania nowych materiałów i technologii są już „inteligentne” opakowania, oświetlenie wykorzystujące diody OLED (Organic Light Emiting Diodes), tanie elektroniczne znaczniki RFID (Radio Frequency Identification), ekspozytory typu roll-up, elastyczne panele słoneczne, jednorazowe urządzenia do diagnostyka, elastyczne ekrany dotykowe, baterie drukowane, tranzystory i urządzenia pamięci.

Integracja z produktami

Stosując technologie drukowania i osadzania, uzyskuje się różnorodne elektroniczne lub fotoniczne powierzchnie funkcjonalne w postaci folii i powłok, które można nakładać na wszelkiego rodzaju tekstylia i inne produkty o dowolnym promieniu krzywizny. Jednocześnie pełnią funkcję czujników pojemnościowych lub pól świetlnych o odpowiednio dużej powierzchni w postaci organicznych diod elektroluminescencyjnych, złożonych czujników do pomiaru ważnych parametrów środowiskowych czy wskaźników medycznych, takich jak temperatura i wilgotność.

Dodatkowo można je wykorzystać jako lekkie i elastyczne organiczne ogniwa słoneczne lub płaskie drukowane baterie (zdjęcie 1) do zasilania miniaturowych urządzeń. Tym samym zakres elektroniki i technologii cyfrowej w przyszłości nie będzie już ograniczony do komputerów osobistych, tabletów, telefonów komórkowych, konsol do gier i podobnych urządzeń w określonej konstrukcji. Nowe systemy można zintegrować z dowolnymi odpowiednimi produktami bez tworzenia szwów łączących. Otwiera to nowe, nieznane wcześniej, a nawet bardzo egzotyczne możliwości ich integracji w „inteligentne” obiekty i przyczynia się do rozszerzenia ich interakcji z samorządnymi i autonomicznymi systemami cyfrowymi w „Internecie Rzeczy”.

Pole Intensywnych Badań Rozwój materiałów i produktów nadających się do praktycznego zastosowania, a także technologii ich wytwarzania jest aktywnie rozwijany na całym świecie przez działy badawcze różnych firm z branży chemicznej, farmaceutycznej, motoryzacyjnej, opakowaniowej, a także producenci sprzętu medycznego, elektroniki i dóbr konsumpcyjnych. Elektronika organiczna i drukowana to w dalszym ciągu bardzo intensywna dziedzina badań z długoterminowymi perspektywami dalszego rozwoju. Obecnie podąża typową dla nowych technologii drogą od szumu medialnego do wprowadzenia do masowej produkcji przemysłowej.

W najnowszym, piątym wydaniu mapy drogowej Stowarzyszenia Organic and Printed Electronics Association (OE-A: Organic and Printed Electronics Association), będącego jedną z grup roboczych w ramach VDMA (Verein Deutscher Maschinen- und Anlagenbaubetriebe), poświęconej analizowane są możliwości praktycznego zastosowania i technologie produkcji elektroniki organicznej, stan i kierunki rozwoju tej dziedziny działalności na najbliższe 10 lat. Zatrudniając ponad 220 pracowników, OE-A skupia działalność ponad 180 firm produkcyjnych i instytutów badawczych z 29 krajów w Europie, Ameryce Północnej, Azji i Australii oraz koordynuje projekty badawcze i aplikacyjne, a także kwestie normalizacyjne w ramach Międzynarodowa Komisja Inżynierii Elektrycznej (IEC), Komisja Elektrotechniczna) TC119 i inne organizacje.

Nowej mikroelektronice tworzonej na bazie materiałów polimerowych daleko jeszcze do pełnego zajęcia swojej godnej pozycji we wszystkich sektorach rynku. Niemniej jednak pierwsze produkty znajdują już praktyczne zastosowanie, z czego często nawet nie zdają sobie sprawy końcowi konsumenci korzystający z tych produktów.

Nowe osiągnięcia w tej dziedzinie stanowią podstawową platformę zaawansowanej produkcji przemysłowej, łączącej zasady technologii druku, elektroniki i technologii polimerów.

Pierwszym obszarem masowego zastosowania są organiczne ekrany LED

Pierwszym i bardzo udanym obszarem masowego zastosowania elektroniki organicznej była produkcja małych organicznych ekranów LED do telefonów komórkowych i smartfonów. Według analityków w ubiegłym roku obroty w tym sektorze elektroniki organicznej wyniosły 9 miliardów dolarów, a do 2025 roku globalny roczny wolumen rynku tego sektora powinien osiągnąć 200 miliardów dolarów. Odpowiada to mniej więcej obrotom na obecnym rynku tradycyjnych chipów krzemowych. Większe, kolorowe i organiczne ekrany LED o wysokim kontraście do telewizorów 55-calowych są już reklamowane, a nawet istnieją (na przykład firmy Samsung i LG).

Warto jednak zaznaczyć, że przy ich obecnym koszcie (ok. 10 tys. dolarów) tego typu ekrany mogą zainteresować jedynie zagorzałych fanów nowinek technicznych.

Na całym świecie popularne stają się czytniki książek elektronicznych firm Amazon czy Sony, które zapewniają atrakcyjność e-booków na „papierze elektronicznym” dzięki zastosowanej w wyświetlaczu elektroforetycznym zasadzie bistabilnego wyświetlania, korzystnej z punktu widzenia energii. Przeznaczone są głównie do wyświetlania informacji statycznych, np. stron książek, w oparciu o autorską technologię firmy E-Ink. Jednak ich dalsza komercyjna dystrybucja jest w dużej mierze ograniczona przez wyświetlacze Retina stosowane w tabletach Apple, które mają wysoką rozdzielczość i możliwości wideo. Jeśli będziemy podążać za innowacyjną logiką ewolucji, to wyświetlacze Retina wraz z mniej jasnymi wyświetlaczami LCD powinny już dawno zastąpić technologię E-Ink.

Elastyczne ekrany

Kolejnym etapem rozwoju, który mógłby znacznie przyspieszyć wyświetlacze elektroniczne, jest stworzenie elastycznych (nawet zwijanych w tubę) elektronicznych czytników i tabletów (fot. 2), produkowanych bez użycia ciężkiej i delikatnej powłoki szklanej. Liderem w tej branży jest brytyjska firma Plastic Logic, posiadająca w pełni zautomatyzowaną bazę produkcyjną w Dreźnie, która opanowała już sztukę wytwarzania organicznych płyt głównych z cienkowarstwowymi tranzystorami, a co za tym idzie aktywnych matryc potrzebnych do indywidualnego sterowania jasnością poszczególnych ekranów pikseli. Najnowszym osiągnięciem w tej dziedzinie jest cienki, elastyczny wyświetlacz elektroniczny o przekątnej 10,7 cala, o rozdzielczości 150 ppi i matrycy TFT o rozdzielczości 1280 x 960 pikseli, co daje łącznie 1,2 miliona pikseli.

W sektorze czujników organicznych Plastic Logic wraz z francuską firmą Isorg, spółką zależną dużego kompleksu badawczego CEA-LITEN w Grenoble (Francja), również wyprzedza swoich konkurentów. Firmy te wprowadziły niedawno sterownik sygnału wideo o wymiarach 4 x 4 cm i rozdzielczości 8930 pikseli na cienkiej podstawie polimerowej.

Hermetyzacja zapobiegająca ekspozycji na parę wodną

Rozwój fotowoltaiki organicznej i technologii wskaźnikowej jest w pewnym stopniu hamowany koniecznością hermetycznej obudowy w celu zabezpieczenia jej przed działaniem pary wodnej zawartej w atmosferze, co prowadzi do korozji warstw elektrod i zmniejszenia żywotność urządzeń. Do tej pory było to możliwe jedynie przy zastosowaniu twardego ochronnego szkła mineralnego. Folie barierowe nanoszone metodą laminacji mogą stanowić rozwiązanie techniczne odpowiednie dla dowolnie konfigurowalnych elementów ogniw słonecznych i elastycznych ekranów. Najbardziej odpowiednie do tego celu wydają się przezroczyste warstwy amorficznego dwutlenku krzemu (tlenku glinu). Ich rozwój i badania są wspólnie prowadzone przez różne organizacje, takie jak Stowarzyszenie Instytutów Fraunhofa ds. Powierzchni Polimerowych (Polo) i Japoński Narodowy Instytut Nauk Zaawansowanych (AIST).

Sterowniki do praktycznego zastosowania

Najbardziej uderzające i przekonujące zastosowania wyników wspomnianych prac, zgodnie z „mapą drogową” stowarzyszenia OE-A, są dostępne w czterech dużych obszarach - przemyśle motoryzacyjnym i farmaceutycznym, produkcji elektroniki użytkowej oraz „smart” opakowania na żywność, lekarstwa Zastosowanie „inteligentnych” opakowań z drukowanymi etykietami aktywowanymi sygnałem radiowym (tzw. znaczniki elektroniczne) może znacząco poprawić efektywność procesów przeładunku towarów i rozwiązać problemy logistyczne.

Mogą również wykorzystywać drukowane i dynamicznie aktualizowane pola, aby pokazywać konsumentom daty końca przydatności produktów do użytku, sygnalizować przerwy w chłodzeniu wrażliwych produktów lub gwarantować autentyczność produktów wysokiej jakości po powiązaniu z możliwymi do prześledzenia danymi łańcucha dostaw. Wiodącą pozycję w tym obszarze zajmuje niemiecka firma PolyIC, która specjalizuje się w opracowywaniu znaczników elektronicznych, drukowanych do nich anten, a także przezroczystych folii organicznych przewodzących prąd elektryczny (fot. 4).

Plan działania OE-A zawiera także informacje o innym aktualnym rozwoju: samochody klasy premium korzystają już z drukowanych anten i drukowanych czujników obciążenia siedzeń, wbudowanych w tapicerkę i zaprojektowanych do aktywacji (w razie potrzeby) pneumatycznych poduszek powietrznych. Czujniki te rejestrują wagę, rozróżniając w ten sposób dorosłych i dzieci. W wyposażeniu tym znajdują się także organiczne ekrany LED do kamer cofania zastępujące tradycyjne lusterka, systemy oświetlenia wskaźników na desce rozdzielczej oraz słabo widoczne urządzenia odmrażające szyby.

Oczekuje się, że organiczne wyświetlacze i czujniki dotykowe zastąpią mechaniczne wskaźniki i przełączniki w samochodach. Opracowywane są pierwsze wersje reflektorów cofania wykorzystujących organiczne diody LED (w szczególności marki Audi), które mogą stać się energooszczędną i bardziej ekonomiczną alternatywą dla nowoczesnych świateł LED. Dyskutowane jest także organiczne oświetlenie LED pola, które mogą służyć do tworzenia regulowanych i dostosowywanych kolorystycznie sufitów dachowych lub podświetlania progów drzwi.

Oświetlenie za pomocą organicznych diod LED

Mapa drogowa OE-A analizuje cztery główne zastosowania produktów elektroniki organicznej i drukowanej – oświetlenie OLED, fotowoltaika organiczna, elektroforeza (e-papier) i wyświetlacze OLED, a także elektroniczne elementy konstrukcyjne jako uzupełnienie tradycyjnej mikroelektroniki opartej na krzemie.

Spośród nich źródła światła oparte na organicznych diodach elektroluminescencyjnych są obecnie najaktywniej dyskutowane jako najbardziej ambitny rodzaj produktu, ponieważ z punktu widzenia oszczędności energii stanowią poważną alternatywę dla sprawdzonych diod LED i lamp halogenowych.

Co więcej, zgodnie z planem działania OE-A, wyświetlacze i oświetlenie OLED wyznaczają przełomowy kierunek w tej dziedzinie. W odróżnieniu od tradycyjnych diod LED i halogenowych emiterów punktowych, organiczne diody LED umożliwiają tworzenie źródeł światła o odpowiednio dużej powierzchni z dynamicznie regulowaną barwą emisji. Organiczne diody LED można montować w bardzo atrakcyjny architektonicznie sposób na różnorodnych powierzchniach, w tym także na znanych przedmiotach gospodarstwa domowego. Dzięki temu obiekty te stają się aktywnymi źródłami światła.

Urządzenia oświetleniowe oparte na organicznych diodach elektroluminescencyjnych są już stosowane w studiach projektowych i wysokiej jakości produktach firm Osram i Philips.

Organiczna fotowoltaika i baterie

Fotowoltaika organiczna rozwija się równolegle z hybrydowymi systemami dwutlenku tytanu i urządzeniami zawierającymi barwniki, a także urządzeniami na bazie czysto organicznych polimerów. Obecnie są dystrybuowane na skalę komercyjną.

Urządzenia te ze względu na stosunkowo niską sprawność nie są przeznaczone do stosowania jako źródła zasilania w sieciach publicznych; Wykorzystywane są wyłącznie do lokalnego zaopatrzenia odbiorców w energię (energy pozyskiwanie energii) oraz do ładowania akumulatorów mobilnych urządzeń cyfrowych i konsumenckich oraz stacji pomiarowych.

W perspektywie długoterminowej, począwszy od 2021 r., plan działania stowarzyszenia OE-A obejmuje wykorzystanie fotowoltaiki organicznej w oświetleniu zewnętrznym pojazdów i budynków (BIPV: Building Integrated Photovoltaics).

Organiczne elementy układów elektroniki, które dzięki swoim unikalnym właściwościom można integrować z tradycyjnymi obwodami elektronicznymi, znajdują zastosowanie w mediach drukowanych, takich jak ferroelektryczne i nielotne nośniki foliowe oferowane przez wiodącego fińskiego producenta Thinfilm. Rozwiązania promowane przez tę firmę są jednocześnie przykładem systemowej integracji komponentów organicznych różnych producentów w większe jednostki funkcjonalne oparte na wspólnych podłożach drukowanych. W szczególności, łącząc dyski cienkowarstwowe z drukowanymi obwodami logicznymi na tranzystorach kalifornijskiej firmy badawczej PARC, powstaje programowy adresowalny moduł pamięci (zdjęcie 5).

Dalszy rozwój tego rozwiązania w połączeniu z drukowanymi termistorami, szwedzkim panelem wyświetlacza Forschungsinstitut Acreo i drukowanymi bateriami umożliwia stworzenie kompaktowych systemów pomiarowych.

Drukowane, bardzo płaskie i elastyczne baterie również stają się przedmiotem badań przy rozwiązywaniu problemów związanych z integracją systemów w elektronice organicznej. Obecnie w sektorze jednorazowego użytku dominują baterie węglowo-cynkowe, natomiast akumulatory litowe są jeszcze w fazie rozwoju.

Energochłonne superkondensatory są również rozważane jako alternatywne źródła krótkotrwałego zasilania urządzeń. Rozładowywane są w taki sam sposób jak akumulatory.

Takie źródła prądu elektrycznego można zintegrować wraz ze wskaźnikami i polami świetlnymi, czujnikami dotykowymi i ogniwami słonecznymi w opakowaniach, tekstyliach i innych produktach konsumenckich, zwiększając w ten sposób ich poziom wartości i funkcjonalności.

Przygotował: dr hab. Używanie V. N. Mymrina
materiały prasowe firmy wystawienniczej Messe Duesseldorf

WYCIECZKA HISTORYCZNA
Polimery o wysokiej przewodności elektrycznej, właściwościach pseudometalicznych i półprzewodnikowych uzyskano już w latach 60-tych. Klasycznym przykładem polimeru tej klasy jest poliacetylen. Dzięki polisprzężonym wiązaniom chemicznym jego przewodność elektryczna może zmieniać się w szerokim zakresie zarówno w procesie syntezy (kontrolując długość łańcuchów polimeru), jak i pod wpływem pola (promieniowanie cieplne, elektromagnetyczne, jonizujące), co prowadzi do odpowiedniej zmiany albo pierwotną strukturę polimeru (przegrupowanie strukturalne), albo zmianę stopnia jego polimeryzacji. Polimery przewodzące znajdują szerokie zastosowanie do produkcji elektrod do chemicznych źródeł prądu (polianiliny), automatycznych termostatów i stabilizatorów napięcia (poliakrylonitryle), jako elektrolity kondensatorowe (sole polipirolu) itp. Odkrycie i badanie wpływu fotoprzewodnictwa w polinitrylach, polifelocyjaninach, polifenylach i polifenylenowinylenach doprowadziło do powstania na ich bazie fotodetektorów, a wysoka „czułość” charakterystyk widmowych polimerów na pierwotną strukturę i składnik polimeru umożliwiła tworzyć urządzenia o szerokim zakresie widma. Co prawda, uczciwie trzeba przyznać, że ich wydajność kwantowa luminescencji nie przekraczała kilku procent. W latach 80-tych, w wyniku badań polimerów przewodzących o wysokim stopniu orientacji łańcuchów polimerowych w próbce masowej (co pozwala na wykorzystanie właściwości quasi-jednowymiarowej struktury makrocząsteczek), kwazikrystaliczne materiały polimerowe o uzyskano wysoką anizotropię charakterystyk elektrycznych. Mobilność nośników ładunku w nich sięgała 5000–6000 cm2/V.s.
Różnorodność struktur układów polimerowych i możliwości ich modyfikacji zapewniły badaczom szeroki zakres właściwości materiałowych. To oczywiście skłoniło ich do podjęcia próby wdrożenia aktywnych urządzeń elektronicznych opartych na materiałach polimerowych. Prace prowadzono w oparciu o dość dobrze rozwiniętą już wówczas teorię urządzeń półprzewodnikowych oraz fizyczne i technologiczne zasady ich powstawania. Jednocześnie w układach polimerowych (molekularnych) analogią poziomu Fermiego były stany energetyczne nośników na najwyższych i najniższych niezajętych poziomach orbitali molekularnych oraz analogią procesu domieszkowania, prowadzącego do zmiany położenia poziomu Fermiego, była operacja podstawienia chemicznego, powodująca zmianę potencjału jonizacji i powinowactwa elektronowego. Zmieniając strukturę pierwotną polimeru, można wyznaczyć poziomy orbitali molekularnych, a co za tym idzie, szerokość jego pasma wzbronionego. Kontynuując rozważania na temat analogii, zwracamy uwagę, że jako interkonektory można zastosować układy polimerów liniowych z wiązaniami sprzężonymi.
Po krótkiej wycieczce historycznej rozważymy „wejście” polimerów do świata nowoczesnych urządzeń elektronicznych.

ORGANICZNE DIODY LED O WYSOKIEJ JASNOŚCI
Pierwszymi urządzeniami elektronicznymi na bazie polimerów były diody elektroluminescencyjne (LED). Teraz możemy założyć, że rozwój osiągnął już prawie poziom, który pozwala przejść do przemysłowej produkcji organicznych diod LED, a dzisiejsze zadanie sprowadza się do stworzenia urządzeń o dużej jasności. Liczne badania w tym zakresie na różne sposoby doprowadziły do ​​optymalnej opcji konstrukcyjnej i technologicznej, którą nazwano „przezroczystą organiczną diodą elektroluminescencyjną” (TOLED, rys. 1). Zasada jego działania jest niezwykle prosta i polega na generowaniu promieniowania przez cząsteczki polimeru pod wpływem pola elektrycznego w wyniku rekombinacji nośników w warstwie elektroluminescencyjnej. Konstrukcyjnie diodę LED należy tak zaprojektować, aby przezroczysta elektroda, warstwa przenosząca dziury, warstwa elektroluminescencyjna i falowód były jak najbardziej przezroczyste, a warstwa przenosząca elektrony i elektroda ujemna zapewniały maksymalne zakłócenia i zwierciadlane odbicie promieniowania. Aby zwiększyć udział promieniowania odbitego w niektórych konstrukcjach diod LED, elektrodze ujemnej nadaje się odpowiedni kształt (np. wklęsłe zwierciadło paraboliczne) i wprowadza się elementy optyczne oparte na soczewkach Fresnela uformowanych w warstwie tworzywa sztucznego.
Obecnie aktywnie badane są nowe materiały organiczne do diod LED. I tak w firmie Fujitsu, w oparciu o kopolimer para- i metabutadienu, otrzymano polimer przewodzący o maksymalnej intensywności promieniowania przy stosunku para- i meta-modyfikacji wynoszącym 2:1. Jako warstwę dziurkującą zastosowano polimer przewodzący na bazie tiofenu, który umożliwia obniżenie napięcia roboczego diod LED przy dużych wartościach prądu. Elektroda dodatnia, wykonana ze stopu Mg – In, jest bardzo stabilna i zapewnia wysoki poziom wtryskiwania elektronów. Na szklane podłoże nakłada się ujemną elektrodę z tlenku indu i cyny.
W przyszłości firma planuje wykorzystać tę organiczną diodę LED z polikrzemowymi cienkowarstwowymi tranzystorami polowymi do tworzenia wyświetlaczy zdolnych do odtwarzania obrazów „na żywo”. Wyświetlacze te będą charakteryzowały się dużą jasnością i szerokim kątem widzenia, a ich cena będzie znacząco niższa od obecnie produkowanych wyświetlaczy AM LCD.

SYSTEMY WYŚWIETLAJĄCE
Do niedawna diody LED na bazie związków organicznych stosowano wyłącznie w telefonach komórkowych i zegarkach, gdyż istniały znaczne problemy technologiczne w zachowaniu właściwości diod LED podczas formowania matryc. Rozwój technologii „niskotemperaturowych” usunął tę przeszkodę. O intensywności pracy i zakresie zadań stojących przed stworzeniem płaskich wskaźników i wyświetlaczy na bazie materiałów organicznych świadczą badania w zakresie otrzymywania przestrajalnych kolorowych diod LED o strukturze pionowej (Princeton University) oraz kolorowego organicznego wyświetlacza EL do zastosowań ściennych. telewizorów montowanych i mobilnych systemów multimedialnych (firma Idemitsu Kosan), a także rozwój pilotażowej produkcji polimerowych diod LED w oparciu o technologię Cambridge Display Technology (Uniax) oraz produkcję wyświetlaczy LCD na podłożach z tworzyw sztucznych (Ricon). Skuteczność świetlna nowoczesnych organicznych diod LED i opartych na nich urządzeń wyświetlających informacje wynosi 10–60 lm/W, jasność promieniowania świetlnego sięga 50 000 cd/m2, a zasób 10 tysięcy godzin (przy jasności 150 cd/m2) .
Głównym osiągnięciem lat 90-tych był rozwój organicznych niebieskich diod LED, co umożliwiło przejście do tworzenia pełnokolorowych ekranów opartych na triadach RGB. Jednym z głównych problemów technologicznych w tym przypadku jest niszczący wpływ procesów obróbki technologicznej podczas formowania zestawu diod LED (pierwsze elementy zestawu ulegają wpływom chemicznym podczas formowania drugiego, a dwa pierwsze – działaniu proces produkcji trzeciego elementu zestawu). Obecność nawet niewielkich zanieczyszczeń chemicznych (zwłaszcza metali alkalicznych) może doprowadzić do znacznej degradacji właściwości materiału elektroluminescencyjnego oraz spowodować znaczne zmiany w intensywności świecenia i charakterystyce widmowej, skracając żywotność urządzenia. Technologia maskowania służąca do ochrony warstw podczas sekwencyjnej produkcji elementów triady nieuchronnie prowadzi do ograniczenia rozdzielczości wyświetlacza.
Problem ten został pomyślnie rozwiązany poprzez przejście na technologię bezmaskową w celu wytworzenia struktury trójwymiarowej, a nie płaskiej. W tej technologii wykonuje się elementy triad w formie piramid trój- lub czworościennych, powstałych poprzez dociśnięcie podłoża z tworzywa sztucznego. Materiał organiczny nakłada się na określoną powierzchnię wszystkich piramid matrycy metodą ukierunkowanego osadzania z fazy gazowej, zapewniając promieniowanie o tej samej barwie. Następnie podłoże obraca się pod odpowiednim kątem (120° lub 90°) i osadza materiał o kolejnym kolorze luminescencyjnym. Z czwartej strony tworzy się warstwa jednego z kolorów o obniżonej jasności, co pozwala na poszerzenie gamy barw odtwarzanej przez wyświetlacz, a także stabilizację balansu bieli podczas pracy. Taka konstrukcja zapewnia prawie trzykrotny wzrost rozdzielczości. Warstwa polimeru z ostrosłupami i otworami stykowymi jest nakładana na obwód adresujący z aktywną matrycą na cienkowarstwowych tranzystorach polowych (TFT), wyprodukowanych razem z przewodami słupkowymi na szklanym podłożu. Wszystkie elementy ścieżki technologicznej zostały już opracowane, a twórcy mają nadzieję wyprodukować dość tanie wyświetlacze o wysokiej wydajności.
Niewątpliwym zainteresowaniem cieszy się rozwój ultracienkich wyświetlaczy organicznych. Massachusetts Institute of Technology opracował technologię wytwarzania wyświetlaczy na warstwie tworzywa sztucznego o grubości zaledwie 100 mikronów, którą można zwinąć w rolkę o promieniu 5 mm bez zmiany jej właściwości. Obraz powstaje w warstwie pasty elektroforetycznej nałożonej na siatkę elektrod na elastycznym podłożu polimerowym. Pasta składa się z mikrokapsułek zawierających białe (dwutlenek tytanu - standardowy składnik zwykłej bieli) i czarne (mieszanina barwników organicznych) mikrocząsteczki zawieszone w stopionym polietylenie. Otoczka kapsułki poddawana jest specjalnej obróbce, aby zapewnić jej przezroczystość. Średni rozmiar kapsułki wynosi około 50 mikronów. Na warstwę pasty nakładana jest siatka przezroczystych elektrod. Po przyłożeniu napięcia o jednej polaryzacji ujemnie naładowane białe cząstki przemieszczają się na górę kapsułek i blokują czarne cząstki. W rezultacie kapsułka staje się biała. Kiedy zmienia się polaryzacja, białe cząsteczki opadają na dno kapsułki, a jej kolor staje się czarny. Rozdzielczość takiego wyświetlacza determinuje skok siatki elektrod i już dla pierwszych próbek była porównywalna z wartościami standardowymi dla drukarek laserowych. Pobór mocy wyświetlacza o przekątnej ekranu 30 cm wynosi 12 mW, czas odtwarzania informacji po odłączeniu napięcia nie jest ograniczony (do czasu nowego adresowania). Obraz można zmieniać ponad 107 razy bez pogorszenia wydajności. Na podstawie tego projektu można stworzyć „papier elektroniczny”.
Xerox zapowiedział przygotowanie kopiarek opartych na „papierze elektronicznym” – ultracienkich wyświetlaczach wykonanych w technologii Gyricon, która polega na wykorzystaniu wnęk olejowych z plastikowymi kulkami. Po przyłożeniu napięcia kule są zorientowane względem powierzchni czarną lub białą stroną. Do odtworzenia obrazu wystarczą dwie baterie AA. Korekta i aktualizacja informacji jest dozwolona. Jedyną wadą wyświetlaczy jest konieczność ochrony przed zakłóceniami elektrycznymi, w szczególności przed elektrycznością statyczną. „Papier elektroniczny”, podobnie jak zwykły papier, jest lekki, elastyczny i łatwy do odczytania pod każdym kątem. Ponadto ma takie nowe właściwości, jak możliwość kilkutysięcznej aktualizacji informacji i korzystania ze wskaźnika elektronicznego. Zdaniem specjalistów Xerox cena takiego papieru nie przekroczy 25 centów za kartkę A4.

ORGANICZNE TRANZYSTORY CIENKOWARSTWOWE
Podczas produkcji wyświetlaczy łączenie TFT przy użyciu tradycyjnej technologii i organicznych diod LED jest trudne ze względu na procesy wysokotemperaturowe, które powodują degradację właściwości materiałów organicznych. TFT na bazie materiałów organicznych można wytwarzać w niższych temperaturach, a jednocześnie zamiast drogiego szkła zastosować tanie podłoża z tworzyw sztucznych, co znacznie obniży koszt całego produktu. Rozwój technologii organicznego TFT otwiera ogromne możliwości tworzenia ultralekkich i ultrapłaskich wyświetlaczy o dużej elastyczności i wytrzymałości. Rozwiązanie problemów technologicznych produkcji wyświetlaczy TFT na bazie materiałów organicznych umożliwi produkcję wszystkich elementów wyświetlaczy przy zastosowaniu podobnych procesów technologicznych, co obniży koszty produkcji i zmniejszy niejednorodność wykorzystywanego sprzętu. Nowoczesne organiczne TFT pod względem właściwości nie ustępują standardowym, opartym na amorficznych warstwach krzemu. Typową strukturę organicznego TPT pokazano na ryc. 2.
Prototypowy TFT oparty na pentacenie o długości i szerokości bramki odpowiednio 5 i 500 µm oraz grubości dielektryka bramki 140 nm charakteryzował się napięciem progowym 10 V i mobilnością dryfu nasycenia 1,7 cm2/V.s (rekordowy wynik dla tranzystory organiczne). Aby zmniejszyć prąd upływu pomiędzy poszczególnymi TFT, zastosowano specyficzną topologię Corbino, w której elektroda źródłowa tworzy zamknięty pierścień wokół obszaru aktywnego TFT, w środku którego znajduje się elektroda drenażowa. Dzięki tej konstrukcji bramka kontroluje cały prąd płynący od drenu do źródła, co skutkuje stosunkiem prądu włączenia do wyłączenia wynoszącym ~108, a także niskimi prądami upływowymi (prąd w stanie wyłączenia jest bliski poziomowi szumu).
Tym samym można stwierdzić, że współcześnie rozwiązany został problem technologiczny formowania urządzeń wyświetlających informacje w całości z materiałów organicznych.

OPTOELEKTRONIKA I INŻYNIERIA LASEROWA
Postępy w tworzeniu organicznych diod LED i systemów wyświetlania informacji stymulują także rozwój urządzeń ze wzbudzeniem elektrycznym na bazie polimerów organicznych, jednego z najbardziej obiecujących materiałów do produkcji nowych typów układów optoelektronicznych. Głównymi zaletami takich układów scalonych są niski koszt i dość prosta technologia odpowiednia do opanowania masowej produkcji. Badania w tym zakresie prowadzi wiele firm w USA, Niemczech, Austrii i Włoszech. Obecnie przemysłowe światłowody polimerowe są już stosowane w standardowych hybrydowych obwodach optoelektronicznych.
Przebadano kilkanaście polimerów o właściwościach półprzewodnikowych nadających się do generacji lasera w całym zakresie widzialnym. Szczególnie interesujące dla twórców są polimery sprzężone z łańcuchami bocznymi, ponieważ to właśnie łańcuchy boczne decydują o szerokości pasma energetycznego, tj. długość fali promieniowania. Ze względu na dużą ekstynkcję generowanego promieniowania (folie o grubości zaledwie 0,1 μm pochłaniają 90% promieniowania), słabą zależność wydajności kwantowej fotoluminescencji od ilości aktywnego polimeru w rezonatorze oraz duże przesunięcie energii pomiędzy absorpcją a widma emisyjne (co ułatwia osiągnięcie inwersji obsadzeń), polimery sprzężone Już przy małych grubościach nadają się do formowania ośrodka aktywnego lasera. Wysoka rozpuszczalność polimerów sprzężonych z łańcuchami bocznymi w konwencjonalnych rozpuszczalnikach organicznych znacznie upraszcza technologię osadzania i tworzenia niezbędnych struktur topologicznych warstwowych folii, w tym tradycyjne metody fotolitograficzne, dobrze ugruntowane w mikroelektronice.
Jednym z najpoważniejszych problemów w produkcji urządzeń ze wzbudzeniem elektrycznym na foliach polimerowych jest duża gęstość prądu generującego próg (~1 kAh cm2). Rozwiązano to poprzez wprowadzenie rozproszonego sprzężenia zwrotnego i rozproszonego reflektora Bragga (DRB) w celu zwiększenia współczynnika jakości rezonatora. ROB pełni funkcję zwierciadła rezonatora. Powstaje w wyniku naprzemiennych warstw polimerów o różnej grubości i niskich i wysokich wartościach współczynnika załamania światła. Ponieważ długość wnęki zmienia się w zależności od długości fali promieniowania, ROB o podobnej strukturze może obsługiwać laser wielomodowy.
Przykładem udanego zastosowania polimerów w technologii laserowej jest pierwszy elektrycznie wzbudzony laser organiczny firmy Lucent Technologies, nadający się do produkcji przemysłowej. Wykonany jest na kryształach tetracenu, których cząsteczki zawierają cztery pierścienie benzenowe. Strukturę pola (kanał o szerokości 25 µm i długości 200–400 µm) utworzono na warstwach tetracenu o grubości 1–10 µm, uzyskanych poprzez osadzenie na podłożu dielektrycznym fazy gazowej w przepływie gazu obojętnego. Jako dielektryk zastosowano warstwę tlenku glinu o grubości 0,15 µm, a elektrody sterujące wykonano z tlenku cynku domieszkowanego aluminium. Konstrukcja to płaski falowód wielomodowy o całkowitych stratach wewnętrznych ~100 cm-2. Wnękę lasera utworzono poprzez rozszczepienie kryształu tetracenu w celu utworzenia ścian o współczynniku odbicia ~8%. Przy dużej gęstości prądu wtrysku we wnęce zaobserwowano kanalizowanie promieniowania o długości fali 575,7 nm ze wzmocnieniem podczas pracy w trybie wielomodowym. W temperaturze pokojowej laser pracował w trybie impulsowym, a przy 200K w trybie promieniowania ciągłego. Dzięki zmniejszeniu strat odbiciowych dzięki wprowadzeniu rozproszonego sprzężenia zwrotnego i ROB możliwa jest praca w trybie ciągłym i w temperaturze pokojowej. Zaletą lasera jest możliwość dostrajania częstotliwości, ponieważ widmo emisji tetracenu jest dość szerokie.
Lasery bazujące na materiałach organicznych są znacznie tańsze od laserów półprzewodnikowych, a szeroki wybór materiałów pozwala na pokrycie znacznego zakresu widmowego. Można śmiało przewidywać, że w najbliższej przyszłości lasery tego typu znajdą szerokie zastosowanie w pamięciach optycznych i drukarkach laserowych.

ROZWÓJ PRZEMYSŁOWY TECHNOLOGII POLIMEROWEJ
Pomimo niejednorodności stosowanych materiałów polimerowych, większość operacji tworzenia urządzeń i elementów konstrukcyjnych ma podobną strukturę i można ją w dużym stopniu ujednolicić. Do takich operacji zaliczają się przede wszystkim procesy osadzania (aplikacji) warstw polimerowych oraz procesy kształtowania. Wskazano już powyżej, że w przypadku większości materiałów cienko- i grubowarstwowych można zastosować dobrze znane procesy naparowywania, sitodruku i litografii (dla kompozycji rozpuszczalnych).
Rewolucyjne podejście do rozwoju technologii masowej produkcji urządzeń elektronicznych na bazie folii organicznych zademonstrowała kalifornijska firma Rolltronics. Zgodnie z jej technologią, zwaną rolką na rolkę (od szpuli do szpuli), w cyklu przenośnika produkcyjnego wykorzystuje się dużą szpulę z giętkim tworzywem sztucznym, która pełni rolę podłoża przyszłego urządzenia (ryc. 3). Długość taśmy z tworzywa sztucznego przekracza 300 m, a szerokość może przekraczać 1 m. Kolejne nakładanie i formowanie warstw odbywa się w wyspecjalizowanych komorach technologicznych, które zapewniają cały cykl technologiczny. Twórcy wierzą, że uda im się formować struktury w temperaturach nie wyższych niż 100–125°C, co pozwoli na zastosowanie najnowocześniejszych materiałów polimerowych.
Wraz z Iowa Thin Film Technologies firma Rolltronics planowała uruchomienie linii produkcyjnej typu „roll-to-roll” do końca 2001 roku. Jako „test pióra” wybrano główny element przyszłych projektów – tranzystor cienkowarstwowy. Oprócz TFT firma zamierza produkować układy pamięci, urządzenia zasilające i elementy wyświetlaczy, a także wszystkie elementy książek elektronicznych i papieru elektronicznego. Technologia roll-to-roll nadaje się do wytwarzania płaskich ekranów, paneli oświetleniowych i informacyjnych LED, ogniw słonecznych, urządzeń optoelektronicznych i laserów półprzewodnikowych. Przedstawiciele firmy nazywają tę technologię przełomem w przyszłość, podkreślając jej niezwykle wysoką wydajność i produktywność, która pozwoli nam przejść do masowej produkcji nowych typów urządzeń elektronicznych i znacznie obniżyć ich koszty.

PERSPEKTYWY ROZWOJU
Zastosowane zasady fizyczne i technologia „elektroniki polimerowej” są pierwszym naturalnym krokiem w stronę elektroniki molekularnej. Wyjaśnia to fakt, że w przeciwieństwie do klasycznej elektroniki półprzewodnikowej, gdzie uwzględnia się właściwości ciała krystalicznego i w jego objętości tworzą się aktywne struktury, w przypadku stosowania polimerów należy wziąć pod uwagę właściwości cząsteczek . W przejściu do prawdziwej elektroniki molekularnej, gdy elementem aktywnym są już pojedyncze cząsteczki, głównym zadaniem jest wybór technologicznej metody punktowego (lokalnego) oddziaływania na cząsteczkę i zmianę jej pierwotnej struktury chemicznej. Naturalnie, jeśli narzędzie technologiczne nie jest w stanie lokalnie modyfikować pierwotnego układu molekularnego na poziomie atomowym, należy opracować metody jego samokonstrukcji i samoregulacji, tak jak to ma miejsce w przyrodzie w cyklu życiowym wirusów i bakteriofagów. W pierwszym przybliżeniu są to metoda Langmuira-Blodgetta wytwarzania folii jednowarstwowych lub metoda samoorganizujących się monowarstw oligomerów na podłożu metalowym (Self-assembled monolayers – SAM). Metody te można warunkowo, analogicznie do technologii urządzeń półprzewodnikowych, zaliczyć do epitaksji „jednowarstwowej”.
Jedną z możliwości przejścia na elektronikę molekularną jest technologia „hybrydowa”, w której wykorzystuje się „elementy molekularne” klasycznymi metodami elektroniki. Przykładem takiej połączonej technologii jest zaproponowane przez IBM rozwiązanie konstrukcyjne polegające na wykorzystaniu nanorurek węglowych do tworzenia tranzystorów 500 razy mniejszych niż nowoczesne urządzenia krzemowe. Ponadto przy braku tlenu są w stanie wytrzymać nagrzewanie do 1000°C.
Nowoczesne narzędzia do modyfikacji i monitorowania struktur atomowych – mikroskopia sił atomowych (AFM) i skaningowa mikroskopia tunelowa (STM) – mogą zapewnić wymagania technologiczne na poziomie atomowym. Niestety zarówno AFM, jak i STM są metodami sekwencyjnymi o niezbyt dużej wydajności i w najbliższej przyszłości będą wykorzystywane jedynie jako narzędzie laboratoryjne. Jednak to przy pomocy AFM i STM po raz pierwszy pomyślnie stworzono urządzenia elektroniki molekularnej. Metody te pozwalają rozwiązać najtrudniejsze zadanie montażu molekularnych urządzeń elektronicznych – tworzenie styków. Teoretyczne modele metod AFM i STM do formowania struktur i pomiarów wciąż się rozwijają i można się tu spodziewać wielu kolejnych odkryć. Jednak wdrożenie metod elektroniki molekularnej nadających się do rozwoju przemysłu jest kwestią przyszłości.

WNIOSEK
Wszystko to pokazuje, że elektronika stoi u progu „polimerowej” rewolucji. W ciągu najbliższych trzech do pięciu lat możliwe będzie „drukowanie” produktów elektronicznych w formie tapety. Takie plastikowe „tapety” posłużą do tworzenia pełnokolorowych ekranów i wyświetlaczy, paneli słonecznych i białych paneli oświetleniowych LED, papieru elektronicznego i wielu innych. Nowe produkty elektroniki oparte na materiałach polimerowych, które pojawią się w najbliższej dekadzie, zrewolucjonizują warunki pracy sprzętu elektronicznego, poszerzą możliwości technologii informatycznych i stworzą warunki do przejścia na nowe zasady organizacji, nauki, życia i rozrywki . Zadaniem rosyjskiej elektroniki jest nie przeoczyć tego przełomu i godnie włączyć się w rozwój elektroniki polimerowej.

Literatura
Laser Focus World, 2001, t. 37, nr 3, s. 2001. 41–44.
Semiconductor International, 2000, t. 23, nr 8, s. 46.
Semiconductor International, 2001, t. 24, nr 6, s. 50.
Semiconductor International, 2001, t. 24, nr 8, s. 40.
Technologia Solid State, 2000, t. 43, nr 3, s. 2. 63–77.
Photonics Spectra 2000, t. 34, nr 5, s. 44.
Journal of American Chemical Society, 2000, t. 122, nr 2, s. 2. 339–347.
Zagraniczna technika elektroniczna, 2000, nr 1, s. 23. 66–72.

Artykuł na konkurs „bio/mol/text”: Naukowcy od dawna marzyli o przekształceniu zwierząt i roślin w cyborgi sterowane sygnałami elektrycznymi i próbują tego dokonać na różne sposoby. Tak więc około 10 lat temu pojawiła się nowa dziedzina nauki - bioelektronika organiczna - w której polimery przewodzące elektrycznie działają jako pośrednicy między żywymi istotami a komputerami. Zdalna kontrola koloru liści róży, sztuczny neuron i ukierunkowane leczenie bólu – pierwsze rezultaty tego potrójnego sojuszu już robią wrażenie.

Sponsor nominacji - .

Sponsorem generalnym konkursu, jak wynika z naszego crowdfundingu, był przedsiębiorca Konstanty Sinyuszyn, za co darzą go wielkim ludzkim szacunkiem!

Sponsorem nagrody publiczności była firma Atlas.

Sponsorem publikacji tego artykułu jest Andrey Aleksandrovich Kiselev.

Wszystkie żywe organizmy to małe roboty lub komputery. Tylko zamiast zwykłego prądu elektrycznego – elektronów przepływających przewodami do gniazdka i z powrotem – sterują nami impulsy nerwowe, strumienie naładowanych cząsteczek zwanych jonami. A „przyciski” w żywych obwodach elektrycznych naciskają nie palce, ale specjalne substancje - neuroprzekaźniki. Kiedy ich stężenie przekroczy określoną granicę, w błonach komórkowych neuronów rozpoczyna się łańcuch reakcji biochemicznych, który kończy się wzbudzeniem impulsu nerwowego.

Teraz naukowcy próbują „poślubić” znajdujące się w nas komputery ze zwykłymi chipami krzemowymi: interfejsy mózg-komputer są już w stanie rozpoznać aktywność komórek nerwowych i przekształcić je w znaczące polecenia dla elektroniki. Wykorzystując siłę myśli, możesz więc grać w proste gry, poruszać robotyczną protezą ramienia, a nawet sterować quadkopterem. Jednak wszystkie te urządzenia wciąż obarczone są błędami i niedokładnościami – nie jest łatwo połączyć prądy elektroniczne i jonowe w jednym urządzeniu.

Polimery przewodzące prąd elektryczny, które jednocześnie przewodzą oba rodzaje prądu (ryc. 1), mogą stać się „tłumaczami” z żywego języka na język mikroukładów. Odkryte w latach 70. ubiegłego wieku materiały te były aktywnie badane przez wielu naukowców: wykorzystywano je do produkcji tranzystorów, ogniw słonecznych, organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED) i innych organicznych urządzeń elektronicznych.

Rysunek 1. Schematyczne przedstawienie substancji organicznych ( po prawej) i nieorganiczne ( lewy) półprzewodniki w kontakcie z elektrolitem. Wielkości naładowanych jonów są znacznie większe niż odległości między atomami w półprzewodnikach nieorganicznych i dlatego w tych materiałach nie jest możliwe przewodnictwo jonowe. Jednocześnie charakterystyczne rozmiary pustek pomiędzy łańcuchami makrocząsteczek polimerów sprzężonych są porównywalne z rozmiarami uwodnionych jonów, dzięki czemu w tej klasie związków możliwe jest przewodnictwo jonowe.

Teraz zalety polimerów przewodzących prąd elektryczny – elastyczność, prostota i zmienność syntezy, a także biokompatybilność i przewodnictwo jonowe – wykorzystywane są przez bioelektronikę organiczną – bardzo młodą dziedzinę materiałoznawstwa, która już ma się czym pochwalić.

Diagnostyka od środka

Działanie wielu interfejsów mózg-komputer opiera się na wykonaniu badania EEG: na głowę człowieka zakłada się czepek z elektrodami, w którym pod wpływem przepływających w mózgu prądów jonowych powstają jego własne prądy elektroniczne. W artykule z 2013 roku naukowcy z Francji zaproponowali wykorzystanie do tych samych celów organicznych tranzystorów elektrochemicznych.

Konwencjonalne tranzystory półprzewodnikowe są głównymi elementami wszystkich elektrycznych obwodów logicznych, rodzajem elektronicznych przycisków z trzema stykami. Stosunkowo duży prąd przepływający przez nie z jednego styku do drugiego można kontrolować za pomocą małego sygnału (znacznie mniejszego prądu lub napięcia w przypadku tranzystora polowego) przyłożonego do trzeciego styku. Gromadząc wiele tranzystorów w jednym obwodzie, można wzmacniać, tłumić i konwertować dowolne sygnały elektryczne, czyli innymi słowy przetwarzać informacje.

W podobny sposób działają tranzystory organiczne, za pomocą których badacze rejestrowali aktywność padaczkową u żywych myszy laboratoryjnych. Trzeci styk sterujący w tym tranzystorze został wykonany z przewodzącego polimeru i wprowadzony bezpośrednio do mózgów gryzoni. Polimer zmieniał swoją strukturę (i w efekcie przewodność) wraz z wahaniami aktywności elektrycznej komórek nerwowych, w wyniku czego nawet niewielkie, charakterystyczne zmiany prądów jonowych w mózgu „cyborga” powodowały zauważalne różnice w przepływie prądu płynący od styku wejściowego tranzystora do wyjścia (rys. 2).

Rysunek 2. Na żywo rejestrowanie aktywności elektrycznej mózgu za pomocą tranzystorów organicznych. Różowy Kolor pokazuje zależność przyjętą przy użyciu organicznego tranzystora elektrochemicznego, niebieski- elektroda plastikowa, czarny- elektroda metalowa. Należy pamiętać, że dwie ostatnie elektrody rejestrują sygnał elektryczny skokami potencjału, a tranzystor skokami prądu w kanale przewodzącym.

W swoim eksperymencie Francuzi wykazali, że tranzystory organiczne umożliwiają znacznie dokładniejsze rejestrowanie aktywności elektrycznej mózgu niż ich współczesne nieorganiczne odpowiedniki. W eksperymentach innych grup naukowych tranzystory organiczne z powodzeniem wykorzystuje się do wykonywania EKG czy np. oznaczania stężenia kwasu mlekowego, glukozy i innych biomolekuł.

Neurony plastikowe

Obecnie choroby neurologiczne i psychiczne leczy się głównie za pomocą leków, jednak dobór ich dawkowania, precyzyjne podanie leku do określonych komórek i jednoczesne uwzględnienie jego skutków ubocznych na różne procesy zachodzące w organizmie może być bardzo trudne . Duży zespół szwedzkich naukowców z kilku instytutów zaproponował rozwiązanie tych problemów przy użyciu tych samych polimerów przewodzących prąd elektryczny, a dokładniej, stosując inne organiczne urządzenie bioelektroniczne - organiczną pompę elektronowo-jonową zdolną do pompowania jonów z jednego ośrodka do drugiego.

W swojej pracy naukowcy badali szczury laboratoryjne, u których najpierw wywoływali ból neuropatyczny (jego przyczyną nie był zewnętrzny czynnik drażniący, ale zakłócone funkcjonowanie samych neuronów), a następnie leczyli go celowanym zastrzykiem neuroprzekaźnika GABA (kwas gamma-aminomasłowy), co zmniejsza podrażnienia centralnego układu nerwowego. Do rdzenia kręgowego szczurów wprowadzono miniaturową pompę organiczną (o długości około 12 cm i średnicy 6 mm), a jej zbiornik napełniono GABA (ryc. 3). Po przyłożeniu zewnętrznego napięcia elektrycznego cząsteczki GABA zaczęły wychodzić czterema kanałami polimeru przewodzącego jony do przestrzeni międzykomórkowej (wideo 1).

Rysunek 3. Wszczepialna organiczna pompa elektrochemiczna. A - zdjęcie urządzenia, B - schematyczne przedstawienie urządzenia, po lewej stronie - styk elektryczny, pośrodku - zbiornik z GABA, po prawej - kanały wydalnicze. Całkowita długość urządzenia wynosi 120 mm, średnica zbiornika 6 mm. C - cztery organiczne wyjścia elektrochemiczne znajdują się w punktach, w których gałęzie nerwu kulszowego wchodzą do rdzenia kręgowego.

Wideo 1. Organoelektroniczna pompa jonowa

W rezultacie szczury straciły ból (sprawdzano to za pomocą testu dotykowego: na łapy szczurów przykładano elastyczne nici o różnej sztywności i monitorowano siłę nacisku, z jakim zwierzę cofało łapę) i nie zaobserwowano żadnych skutków ubocznych . Przy wszystkich innych metodach leczenia bólu neuropatycznego za pomocą GABA, lek wstrzykiwany jest do rdzenia kręgowego w dużej dawce, która rozprowadzana jest po całym układzie nerwowym i oprócz tłumienia bólu prowadzi do zaburzeń chodu, letargu i innych skutków ubocznych.

Równolegle z tymi pracami ta sama grupa badaczy stworzyła pierwszy sztuczny neuron na bazie polimeru. Łączył pompę jonową z bioczujnikami wrażliwymi na Kwas glutaminowy(najczęstszy neuroprzekaźnik pobudzający) i acetylocholina(neuroprzekaźnik przekazujący sygnał z neuronów do tkanki mięśniowej). Przykładowo w jednym z eksperymentów „plastikowy” neuron monitorował poziom glutaminianu na szalce Petriego, a po przekroczeniu pewnego progu wzbudzał w nim prąd, który otwierał zbiornik pompy jonowej, uwalniając acetylocholinę do środowiska.

Działanie sztucznego neuronu jest bardzo podobne do działania prawdziwego: w jednym z nich wzbudzany jest impuls nerwowy, który przebiega przez całą komórkę aż do miejsca kontaktu z innym neuronem, gdzie uwalniany jest kwas glutaminowy, który niejako , naciska przycisk i pobudza kolejny neuron (ryc. 4). Zatem wzdłuż łańcucha neuronów impuls dociera do komórki mięśniowej, która nie jest już wzbudzana przez kwas glutaminowy, ale przez acetylocholinę. Plastikowy neuron stworzony przez Szwedów może z powodzeniem powtarzać te działania i przekazywać sygnały do ​​innych komórek. W doświadczeniu były to komórki nerwiaka niedojrzałego SH-SY5Y, których aktywację monitorowano poprzez charakterystyczne wzrosty stężenia jonów po związaniu receptorów acetylocholiny.

Rysunek 4. Schemat konwersji sygnału chemicznego na sygnał elektryczny i z powrotem w sztucznym neuronie polimerowym jest identyczny ze schematem działania żywego neuronu. Biosensor ( reprezentowane na zielono) reaguje na wzrost stężenia jednego neuroprzekaźnika ( pomarańczowe kropki), który generuje przepływ elektronów, który wzbudza organiczną pompę elektrochemiczną ( reprezentowane na niebiesko), uwalniając kolejny neuroprzekaźnik ( niebieskie kropki).

Od elektronicznych róż po najbardziej ekologiczną energię

Badania na myszach, szczurach i innych zwierzętach laboratoryjnych muszą zostać zatwierdzone przez komisje etyczne, dzięki czemu najbardziej śmiałe eksperymenty z bioelektroniki organicznej łatwiej jest przeprowadzić na roślinach. Tak więc pod koniec 2015 roku ta sama szwedzka grupa stworzyła pierwszą różę cyborgową. Co prawda nie potrafi jeszcze zrobić nic spektakularnego – ani nie otworzyć się po naciśnięciu przycisku na panelu sterowania, ani zmienić koloru w zależności od wilgotności otoczenia, ani przejąć władzy nad światem, ale naukowcom udało się to zrobić coś interesującego.

W pierwszym eksperymencie ściętą różę umieszczono w wodzie z rozpuszczonym polimerem przewodzącym prąd elektryczny, który uniósł sadzonkę i utworzył w róży przewodzący kanał. Następnie naukowcy podłączyli styki elektryczne do końców kanału i włożyli do uchwytu elektrodę kontrolną – złoty drut pokryty przewodzącym polimerem. W ten sposób wewnątrz róży zmontowano rodzaj organicznego tranzystora. W tym przypadku możliwe było podłączenie kilku elektrod sterujących do jednego kanału jednocześnie i wykonanie prostego obwodu logicznego, przez który prąd przepływa tylko wtedy, gdy na oba złote przewody zostaną przyłożone określone napięcia sterujące.

W drugim eksperymencie do liści róży wpompowano za pomocą strzykawki wodny roztwór innego polimeru przewodzącego prąd elektryczny, który może zmieniać kolor pod wpływem zewnętrznego napięcia. Do liścia przyłożono elektrody, włączono prąd i voila: żyły liścia nabrały niebieskawo-zielonego zabarwienia. To właśnie wpompowany w nie polimer zmienił kolor z bezbarwnego na niebieski (wideo 2). Jednocześnie po usunięciu napięcia liść ponownie nabrał zdrowego, zielonego koloru.

Naukowcy pokazali w ten sposób, że za pomocą prostej technologii można stworzyć proste obwody elektroniczne wewnątrz roślin. W przyszłości umożliwi to kontrolowanie ich fizjologii i np. osiągnięcie zwiększonej produktywności bez modyfikacji genetycznych czy nawet tworzenie maleńkich elektrowni wykorzystujących energię fotosyntezy. Oczywiście na razie brzmi to zbyt drogo, ale pewnego dnia technologie bioelektroniki organicznej pozwolą na ukierunkowaną kontrolę każdej rośliny, a nie całej populacji na raz.

Bioelektroniczna przyszłość

Pierwsze eksperymenty wykazały, że organiczne urządzenia bioelektroniczne są w stanie odbierać, przesyłać i przetwarzać sygnały bioelektryczne. Co dalej? Teraz nauczyli się wytwarzać materiały polimerowe biokompatybilne i biodegradowalne, dlatego każdy żywy organizm można dosłownie wypchać chipami na ich bazie. Pozostaje tylko nauczyć je bezprzewodowego przesyłania informacji, a wewnątrz ludzkiego ciała będzie można stworzyć lokalną sieć czujników, które na bieżąco monitorują różne wskaźniki medyczne, takie jak poziom glukozy, tętno i aktywność elektryczną wybranych neuronów, a następnie przesyłają swoje sygnały do ​​wszczepionych robotów medycznych opartych na tych samych pompach jonowych, aby zaczęli uporać się z problemem.

Jeśli pomysł zostania takim cyborgiem zupełnie Ci nie odpowiada, możesz po prostu połknąć tablet z wbudowanym elastycznym mikroukładem - na podstawie kwasowości, temperatury i stężenia różnych substancji dokładnie obliczy, gdzie należy wypuścić lekarstwo, a spełniwszy dobry uczynek, zostanie po prostu w nas strawione jak kawałek cukru.

Właściwości izolacyjne, czyli niezdolność do przewodzenia prądu elektrycznego, od dawna uważane są za cechy naturalnie nieodłącznie związane z większością materiałów polimerowych. Rzeczywiście, to właśnie właściwości izolacyjne polimerów są ich najważniejszą zaletą, determinującą liczne zastosowania praktyczne.

Jednakże w ciągu ostatnich dwudziestu lat odkryto nowe materiały polimerowe o przewodności elektrycznej tylko nieznacznie gorszej od przewodności metali. Ich odkrycie było prawdziwą sensacją, gdyż mogło doprowadzić do powstania nowych typów urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych oraz zapoczątkowało badania w zakresie syntezy i badania właściwości takich materiałów. Badacze muszą odpowiedzieć na dwa główne pytania: 1) jaki jest mechanizm przewodnictwa związków polimerowych oraz 2) jaki jest związek pomiędzy składem, strukturą monomeru i przewodnością związku polimerowego.

Przewodzące materiały polimerowe dzielimy na dwie duże grupy: polimery przewodzące jonowo lub stałe elektrolity polimerowe oraz polimery przewodzące elektrony, które są przedmiotem tego artykułu. Z kolei polimery o przewodności elektronicznej dzielą się na tak zwane metale organiczne (polimery o przewodności podobnej w mechanizmie do przewodności elektrycznej metali; tego typu związki polimerowe w literaturze angielskiej mają powszechną nazwę „polimery przewodzące” - „polimery przewodzące ”, z których będziemy korzystać) oraz polimery redoks, czyli związki, w których przeniesienie elektronu odbywa się głównie na skutek występowania reakcji redoks pomiędzy sąsiednimi fragmentami łańcucha polimeru.

Polimery przewodzące

Pierwszym polimerem przewodzącym, od którego rozpoczął się rozwój badań w tym kierunku, był poliacetylen [(CH)n] (rys. 1). Po raz pierwszy został zsyntetyzowany w postaci folii z litego srebra w 1974 roku z acetylenu przez Hidekiego Shirakawę w Tokijskim Instytucie Technologii. W 1977 roku ustalił wspólnie z naukowcami z USA, że częściowe utlenienie poliacetylenu cząsteczkowym jodem lub innymi odczynnikami zwiększa jego przewodność 10 9 razy:

(CH) n + 0,5I 2 – (CH) + n (I 3) - 0,33

W postaci częściowo utlenionej polimer można uznać za sól składającą się z dodatnio naładowanych jonów polimeru i przeciwjonów równomiernie rozmieszczonych w całej jego strukturze, zachowując ogólną neutralność elektryczną układu.

Wiele polimerów przewodzących można wytworzyć z monomerów poprzez utlenianie elektrochemiczne na powierzchni elektrody obojętnej. Należą do nich np. polipirol (patrz ryc. 1), otrzymany po raz pierwszy w 1980 roku metodą elektrochemicznego utleniania pirolu w roztworze acetonitrylu zawierającym nadchloran tetrabutyloamoniowy w celu nadania mu przewodności elektrycznej, przez badacza IBM Arta Diaza:

Ryż. 1. Przykłady polimerów przewodzących i porównanie ich przewodnictwa z przewodnictwem niektórych substancji

Polimery wytwarzane elektrochemicznie na powierzchni elektrody można przekształcić ze stanu przewodzącego (utlenionego) do stanu nieprzewodzącego (zredukowanego) poprzez zmianę potencjału elektrody. Przejściu polimeru ze stanu utlenionego do obojętnego, zredukowanego towarzyszy uwolnienie kompensujących ładunek przeciwjonów z polimeru do roztworu elektrolitu, w którym prowadzony jest proces, i odwrotnie (rys. 2).

Ryż. 2. Utlenianie i redukcja warstwy polimeru przewodzącego: a - zredukowany stan neutralny polimeru - izolator; b - stan częściowo utleniony polimeru - przewodnika

Transfer ładunku w polimerach przewodzących

Zdefiniujmy Pn jako okresowo powtarzający się fragment łańcucha polimeru zdolny do wymiany całkowitego ładunku z partnerem redoks (lub elektrodą układu elektrochemicznego) i w efekcie przejścia z jednego stanu redoks do drugiego (czyli utlenienia lub redukcji ). Należy zauważyć, że strukturalna, okresowo powtarzająca się jednostka łańcucha polimeru P i omawiany fragment Pn nie zawsze są identyczne. Ten ostatni może zawierać n fragmentów strukturalnych P, a n nie może być liczbą całkowitą.

W wyniku reakcji redoks z udziałem Pn powstaje rodnikowy kation (anion), a następnie ewentualnie di-kation (dianion):

Podobnie jak w chemii reakcji redoks cząsteczek monomeru, rodnikowy fragment kationowy polimeru może wejść w reakcję dysproporcjonowania:

Reakcja dysproporcjonowania zależy od temperatury i innych parametrów, w tym od charakteru i charakteru oddziaływania z przeciwjonami. Zatem w tym samym polimerze, na skutek reakcji dysproporcjonowania, mogą wystąpić różne stany redoks fragmentów.

Jony rodnikowe i diiony powstające w związkach o rozgałęzionym układzie wiązań n są zdolne do tworzenia kompleksów przenoszenia ładunku z pierwotnymi związkami nienaładowanymi (jeśli nie zapobiegają temu czynniki przestrzenne). Tworzenie takiego kompleksu z dwóch fragmentów obrazuje równanie:

Ważne jest, aby zrozumieć, że właściwości elektroniczne materiału polimerowego są określone zarówno przez oddziaływanie poszczególnych cząsteczek jednego łańcucha, jak i przez interakcje przenoszenia ładunku między fragmentami różnych łańcuchów.

Kiedy elektron zostaje usunięty z pasma walencyjnego polimeru z układem wiązań sprzężonych, powstający wakat („dziura” lub kation rodnikowy) nie ulega całkowitej delokalizacji, jak można by oczekiwać na podstawie klasycznej teorii pasm. Następuje jedynie częściowa delokalizacja, rozprzestrzeniająca się na fragment Pn i powodująca deformację strukturalną tego obszaru polimeru. Poziom energii odpowiadający powstałemu kationowi rodnikowemu zasadniczo reprezentuje poziom zdestabilizowanego orbitalu wiążącego, jest więc wyższy od energii górnej granicy pasma walencyjnego i wpada w pasmo wzbronione (rys. 3). Ten wzrost energii przypomina wzrost energii wypełnionego orbitalu molekularnego wiążącego po usunięciu z niego elektronu.

Rodnikowy kation częściowo zdelokalizowany wzdłuż fragmentu polimeru nazywany jest polaronem. Stabilizuje poprzez polaryzację środowiska, zgodnie ze swoją nazwą.

Ryż. 3. Schemat powstawania poziomów energetycznych polaronu i pasm energetycznych bipolaronu

Jeśli następny elektron zostanie usunięty z już utlenionego polimeru zawierającego polaron, zdarzenia mogą rozwijać się na dwa sposoby:

1) elektron zostaje usunięty z innej części łańcucha polimeru i pojawia się nowy polaron, niezależny od pierwszego;
2) elektron zostaje usunięty z tej części łańcucha polimeru, w której występuje już polaron (mówimy o niesparowanym elektronie powstałym podczas tworzenia pierwszego polaronu) i powstaje dikacja zwana bipolaronem. Początkowo utlenianie polimeru powoduje głównie powstawanie polaronów. W miarę wzrostu utleniania polimeru możliwe jest również tworzenie się bipolaronów.

Pojawienie się bipolaronu powoduje również deformację strukturalną środowiska. Dwa ładunki dodatnie bipolaronu nie są niezależne, działają jako para. Zarówno polarony, jak i bipolarony są mobilne i pod wpływem pola elektrycznego potrafią przemieszczać się wzdłuż łańcucha polimeru reorganizując wiązania podwójne i pojedyncze w układzie sprzężonym:

Kiedy tworzy się duża liczba bipolaronów, ich poziomy energetyczne zaczynają się nakładać, tworząc wąskie pasma bipolaronowe w pasmie wzbronionym (patrz ryc. 3). W przypadku polipirolu przy niskim stopniu utlenienia polimeru dochodzi do tworzenia się polaronów paramagnetycznych. Wraz ze wzrostem poziomu utlenienia polarony przekształcają się w bipolarony, z których każdy jest zlokalizowany na około czterech pierścieniach pirolowych. Naładowany fragment czterech pierścieni pirolowych może przemieszczać się wzdłuż łańcucha polimeru w wyniku reorganizacji układu wiązań podwójnych i pojedynczych. Polaron i bipolaron w cząsteczce polipirolu pokazano poniżej:

Teoria przewodnictwa polaronowego jest obecnie uznawana za główny model przenoszenia ładunku w polimerach. Należy jednak zaznaczyć, że został on opracowany dla polimerów o idealnej strukturze nieosiągalnej w warunkach rzeczywistych.

Polimery redoks

Większość znanych dotychczas polimerów redoks to związki kompleksowe metali, które zwykle wytwarza się przez polimeryzację elektrochemiczną początkowych związków kompleksowych monomerów o konfiguracji zarówno oktaedrycznej, jak i kwadratowej. Jako przykład polimerów redoks otrzymanych z oktaedrycznych wyjściowych związków kompleksowych można przytoczyć kompleksy polipirydynowe o składzie poli-, gdzie Me = Co, Fe, Ru, Os; L = v-bpy (4-winylo-4"-metylo-2,2"-bipirydyna), fenantrolino-5,6-dion, 4-metylofenantrolina, 5-aminofenantrolina, 5-chlorofenantrolina (x+y =3). Związki te otrzymuje się poprzez elektrochemiczną redukcję kompleksów monomerów, w której początkowo tworzą się rodnikowe cząstki pośrednie, które następnie oddziałują ze sobą lub z cząsteczkami pierwotnego kompleksu. Poniżej ilustruje to utworzenie polimeru z oktaedrycznego kompleksu z ligandami 5-chlorofenantroliny:

Sieciowanie początkowych cząsteczek zachodzi w trzech kierunkach zgodnie z ich geometrią, w wyniku czego polimer ma trójwymiarową strukturę. Przykładem polimerów redoks otrzymanych z kwadratowych płaskich kompleksów metali są polizwiązki, w których Schiff jest tetradentowany (to znaczy tworzy cztery wiązania z metalowym środkiem). Zasady Schiffa:

Te kompleksy polimerowe otrzymuje się przez elektrochemiczne utlenianie cząsteczek monomeru. Tworzenie wiązań między fragmentami można w pierwszym przybliżeniu rozpatrywać z punktu widzenia interakcji donor-akceptor pomiędzy ligandem jednej cząsteczki a centrum metalowym drugiej; W efekcie dochodzi do powstawania tzw. makrocząsteczek jednowymiarowych lub ułożonych w stosy. Zewnętrznie zbiór takich makrocząsteczek stanowi stałą przezroczystą warstwę na powierzchni elektrody, mającą różną barwę w zależności od rodzaju metalu i obecności podstawników w strukturze ligandu.

Transfer ładunku w polimerach redoks

Centra redoks (atomy biorące udział w reakcjach redoks w polimerze) to jony metali, które mogą znajdować się w różnych stanach naładowania. Zatem kompleksy metali, które mają tylko jeden możliwy stan naładowania (cynk, kadm), nie tworzą polimerów redoks. Warunkiem koniecznym przewodnictwa polimerów redoks jest obecność w środowisku ligandów kompleksów rozgałęzionego układu sprzężonych wiązań n, które pełnią funkcję mostków przewodzących pomiędzy centrami redoks. Kiedy polimer redoks jest całkowicie utleniony lub całkowicie zredukowany, to znaczy wszystkie jego centra redoks znajdują się w tym samym stanie naładowania, przeniesienie ładunku wzdłuż łańcucha polimeru jest niemożliwe, a przewodność jest bliska zeru. Gdy centra redoks mają różne stany naładowania, możliwa jest między nimi wymiana elektronów, podobnie jak ma to miejsce w roztworach podczas reakcji redoks. Stąd przewodność polimerów redoks jest proporcjonalna do stałej szybkości samowymiany elektronów pomiędzy centrami redoks (kco) oraz stężeń centrów utlenionych i zredukowanych ( i ) w polimerze:

Przewodność ~ kco

Przewodność jest maksymalna przy równych stężeniach utlenionych i zredukowanych centrów redoks, co odpowiada warunkom, w których układ redoks ma standardowy potencjał redoks E0(/). Istnienie centrów redoks w różnych stanach naładowania było podstawą do stosowania nazw kompleksów „mieszano-walencyjnych” lub „częściowo utlenionych” w odniesieniu do polimerów redoks opartych na związkach koordynacyjnych. Przejściu cząsteczek polimeru redoks ze stanu utlenionego do zredukowanego towarzyszy, jak opisano powyżej dla polimerów przewodzących (patrz rys. 2), uwolnienie przeciwjonów kompensujących ładunek z polimeru do roztworu elektrolitu, w którym prowadzony jest proces na zewnątrz i odwrotnie.

Ogólnie rzecz biorąc, przewodność polimerów redoks jest znacznie mniejsza niż przewodność metali organicznych i osiąga wartości rzędu 10 -2 - 10 -3 S/cm. Dzieje się tak z wielu powodów, a jednym z nich jest ograniczona szybkość reakcji redoks. Jednak oprócz tej wady polimery redoks mają również poważne zalety:

1) kompleksy metali w ogóle, w porównaniu ze związkami organicznymi, dają znacznie większe możliwości kontrolowania właściwości polimerów poprzez zmianę charakteru (struktury elektronowej) centrum metalicznego. Jako jeden z wielu przykładów potwierdzających to stanowisko można przytoczyć znaczne zwiększenie liczby przejść optyczno-elektronowych w kompleksach metali w porównaniu ze związkami organicznymi na skutek pojawiania się przejść ligand-metal oraz przejść interwałowych. Otwiera to nowe możliwości kontrolowania właściwości optycznych polimerów za pomocą elektrycznego sygnału sterującego;

2) na przykład niektóre kompleksy metali są analogami najważniejszych naturalnych enzymów-biokatalizatorów, w szczególności oksygenazy i peroksydazy. Pozwala to przewidzieć powstanie na ich bazie nowych polimerowych układów elektrokatalitycznych, charakteryzujących się wysoką wydajnością i selektywnością, charakterystyczną dla biokatalizatorów.

Niektóre obszary zastosowań przewodzących związków polimerowych

Chemiczne źródła prądu

Akumulatory (rys. 4a) były jednym z pierwszych produktów komercyjnych bazujących na zastosowaniu przewodzących związków polimerowych. Jako materiał elektrody dodatniej stosują polipirol, politiofen lub polianilinę. Materiałem do produkcji elektrod ujemnych jest zwykle lit lub jego stopy (na przykład z aluminium).

Gdy akumulator się rozładowuje, elektrony przemieszczają się z elektrody ujemnej do dodatniej poprzez obwód zewnętrzny. W tym przypadku lit ulega utlenieniu, przechodząc do elektrolitu w postaci dodatnio naładowanych jonów, związek polimerowy ulega redukcji, czemu towarzyszy przejście anionów kompensujących ładunek z polimeru do elektrolitu. Podczas ładowania akumulatora z zewnętrznego źródła prądu na elektrodach zachodzą procesy odwrotne.

Elektrolitem może być roztwór soli na bazie węglanu propylenu, który jest często stosowany jako rozpuszczalnik w źródłach prądu, lub membrana polimerowa nasycona odpowiednią solą litu (stały elektrolit polimerowy). W tym drugim przypadku akumulator w ogóle nie zawiera fazy ciekłej, co czyni go najbezpieczniejszym i najwygodniejszym.

Ryż. 4. Zastosowanie przewodzących związków polimerowych: a - w chemicznych źródłach prądu; b - w układach elektrokatalitycznych

Układy elektrokatalityczne

Głównym kierunkiem zastosowań polimerów przewodzących i polimerów redoks w układach katalitycznych jest rozwój elektrod modyfikowanych chemicznie (CME). CME to elektroda wykonana z materiału obojętnego chemicznie, z naniesioną na jej powierzchni warstwą związku przewodzącego, który jest katalitycznie aktywny w stosunku do reakcji elektrochemicznej zachodzącej w układzie (patrz rys. 4, b). Metoda chemicznej modyfikacji elektrod pozwala na poszerzenie zakresu tradycyjnie stosowanych materiałów elektrodowych (swoją drogą bardzo małą), zwiększenie selektywności ich działania i uświadomienie sobie możliwości tworzenia materiałów o zadanych właściwościach. Obecnie CME na bazie przewodzących związków polimerowych stosuje się do katalitycznego utleniania metanolu i węglowodorów nasyconych w łagodnych warunkach, redukcji halogenowych pochodnych węglowodorów nasyconych, redukcji dwutlenku węgla oraz katalizy reakcji redoks z udziałem biomolekuł (enzymów i koenzymów ).

Sterowane urządzenia optyczne

Jedną z niezwykłych cech przewodzących folii polimerowych jest ich zdolność do zmiany ich właściwości optycznych, w szczególności koloru, wraz ze zmianami poziomu utlenienia. Jeżeli stopień utlenienia polimeru jest kontrolowany potencjałem elektrody, na którą nałożony jest polimer, to właściwościami optycznymi polimeru można sterować za pomocą sygnału elektrycznego – pojawia się tzw. efekt elektrochromowy. W szczególności polimery redoks na bazie kompleksów, przechodząc ze stanu utlenionego do zredukowanego, zmieniają swoją barwę z ciemnozielonej, pomarańczowej, czerwono-brązowej, niebieskiej (w zależności od charakteru centrum metalu i otoczenia ligandu) na żółtą różne odcienie. Osadzając elektrochromowe materiały polimerowe metodą elektropolimeryzacji na optycznie przezroczystych elektrodach (płytki kwarcowe z napyloną warstwą przezroczystych, elektrycznie przewodzących tlenków cyny i indu), możliwe jest otrzymanie układów elektrochromowych do zastosowania w kolorowych wyświetlaczach, przesłonach i urządzeniach optycznych z filtrem.

Urządzenia chemotroniczne i sensoryczne

Na ryc. 5a przedstawia schemat tranzystora mikroelektrochemicznego oparty na zastosowaniu elektrochemicznie aktywnego materiału polimerowego (polimer przewodzący lub polimer redoks). Urządzenie składa się z dwóch metalowych (złotych lub platynowych) mikroelektrod umieszczonych w warstwie polimerowej w odległości około 1 mikrona. Najważniejszą cechą materiału polimerowego jest to, że jego przewodność zależy od stopnia utlenienia, który jest kontrolowany przez potencjał elektrody sterującej Uу. Zasada działania tranzystora mikroelektrochemicznego jest całkowicie podobna do zasady działania konwencjonalnych tranzystorów. Kiedy zmienia się napięcie sterujące Uy, elektrochemicznie aktywny polimer ulega utlenieniu lub redukcji. W tym przypadku zmienia się jego przewodnictwo, a co za tym idzie, wielkość prądu płynącego pomiędzy elektrodami Ie zmienia się przy stałym napięciu Ue.

Rysunek 5, b pokazuje charakterystykę prądowo-napięciową (zależność między prądem Ie a napięciem sterującym Uy) dla tranzystora mikroelektrochemicznego z polimerem redoks. Prąd Ie płynie tylko w wąskim zakresie napięć sterujących, zwykle w granicach 100 mV potencjału standardowego E° pary redoks obecnej w polimerze. Maksymalną wartość prądu osiąga się właśnie przy Uу = E°, ponieważ to właśnie ten stan układu odpowiada równym stężeniom utlenionych i zredukowanych centrów polimeru, czyli jego maksymalnej przewodności.

Ryż. 5. Schemat obwodu tranzystora mikroelektrochemicznego z wykorzystaniem polimeru redoks (a) i charakterystyka prądowo-napięciowa tranzystora (b)

Związki polimerowe redoks jako materiały do ​​urządzeń mikroelektrochemicznych mają dwie zalety w porównaniu z polimerami przewodzącymi: wąski zakres napięć, przy których włączany jest tranzystor oraz wrażliwość na skład ośrodka, w którym zachodzą reakcje redoks polimeru. Pierwsza zaleta określa zdolność tranzystora do pracy w danym wąskim zakresie napięć sterujących. Różnorodność dostępnych układów redoks o różnych wartościach potencjałów standardowych umożliwia dobór wymaganego zakresu. Zależność właściwości polimeru redoks od składu i stężenia składników elektrolitu (tlen, pH) otwiera możliwości tworzenia elektrochemicznych elementów sensorowych na podstawie rozważanych urządzeń. Ponieważ podczas przejścia na nanotechnologiczne metody produkcji urządzeń chemotronicznych odległości między elektrodami można zmniejszyć do wartości rzędu nanometrów, opóźnienie przewodnictwa polimerów redoks w stosunku do metali organicznych stanie się oczywiście nieistotne.

Synteza i badanie nowych przewodzących związków polimerowych to stosunkowo młody i postępowy obszar badań, umiejscowiony na przecięciu różnych dziedzin chemii (chemia koordynacyjna, elektrochemia, chemia organiczna, kataliza, chemia ciała stałego) i fizyki (teoria przewodnictwa , fizyka ciała stałego, optyka). Obecny stan tego kierunku naukowego można scharakteryzować jako okres intensywnego gromadzenia informacji o nowych materiałach polimerowych, ich właściwościach i sposobach stosowania oraz okres tworzenia urządzeń modelowych. Dalszy rozwój chemii przewodzących związków polimerowych doprowadzi do powstania bazujących na nich zasadniczo nowych przemysłowych układów katalitycznych, elektronicznych i optoelektronicznych.

A. M. Timonow, S. V. Wasiljewa
Rosyjski Państwowy Uniwersytet Pedagogiczny im. sztuczna inteligencja Hercena w Petersburgu

Magazyn edukacyjny Sorosa. 2000. T. 6, nr 3

Przewodność elektryczna polimerów

Charakterystyczna właściwość polimerów syntetycznych doOstatnio uznano, że mają zerową przewodność elektryczną.Wszystkie popularne rodzaje tworzyw sztucznych są dobrymi dielektrykami.- kami z powodu tworzenia silnych wiązań kowalencyjnychzwiązki wielkocząsteczkowe.

Jednak przełomowe osiągnięcie trzech laureatów Nagrody Nobla 2000 - Alana McDiarmid (USA), Alan Higuera (USA)i Hideki Shirakawa (Japonia)- radykalnie zmienił ogólnie przyjęty punkt widzenia. Ci naukowcy jako pierwsi odnieśli sukces w transformacjiplastik w przewodnik elektryczny.

Jak to często bywa w historii nauki, odkrycie pomogłowypadek. Student Shirakawy jako- Dodałem to przez pomyłkęza dużo katalizatora, co skutkuje bezbarwnościąplastik nagle zaczął odbijać światło jak srebro i to doprowadziło do tegodo myśli, że przestał być izolatorem. Dalejbadania doprowadziły do ​​odkrycia polimeru o przewodności dziesięciu- ki miliony razy lepszy od zwykłego plastiku. Tenotwiera drogę do nowej elektroniki XXI wieku, opartej namateriały organiczne. W końcu materiały organiczne są lżejszei bardziej elastyczne od tradycyjnego krzemu, łatwiej dają pożądany efektkształtu, w tym trójwymiarowego.

Co to są polimery przewodzące? Jeśliw skrócie ich podstawą są substancje posiadające cząsteczki, m.inktóre mają naprzemienne wiązania podwójne. Ww czystej postaci nie są przewodnikami, ponieważ znajdujące się w nich elektrony są zlokalizowane ze względu na ich udziałtworzenie kowalencyjnych wiązań chemicznych. Aby uwolnić elektronystosuje się różne zanieczyszczenia, po ich wprowadzeniuzdolność do przenoszenia ładunków (elektronów i dziur).łańcuch molekularny. Typowym przykładem polimeru przewodzącego jest polianilina.Na bazie polimerów przewodzącychelektronika molekularna. Na przykład naukowcy z Uniwersytetu w Arizonie stworzyli ogranicznik napięcia z siedmiu fragmentów aniliny.Tranzystory molekularne, kondensatory, diody.

Amerykańska firma Superconnect opracowała materiał, który w przyszłości pomoże przyspieszyć przesyłanie danych.Internet sto razy! To specjalny polimer sklejony zestawem fulerenów, pozwalający kontrolować przepływ światła podczas oświetleniaza pomocą innych wątków (tj. czystego tranzystora fotonicznego).

Rysunek 109. Połączenie fulerenów i

Kluczem są łańcuchy polimerowe

ultraszybki optyczny

przełączniki

To pierwszy krok w kierunku tworzeniawszystkie routery optycznew Internecie. Teraz, aby kontrolować przepływy danych (które przesyłane są pomiędzy dużymi węzłami za pomocą światłowodu), są one konwertowane z impulsów optycznych na impulsy elektroniczne. Chipy określają kierunek transmisji i przełączają kanał, po czym następuje strumień bitów w postacielektrony są ponownie przekształcane w światłoimpulsy i wysyłane do miejsca przeznaczenia. Więc podwójne transformacja - jedno z wąskich gardeł zmniejszających ogólną przepustowość Internetu. Zastępując konwencjonalne routery, które łączą elementy optyczne i elektroniczne, routerami w pełni optycznymi, możliwe będzie stukrotne zwiększenie szybkości przesyłania danych.

Niski koszt produkcji polimerów otwiera nowe obszary zastosowań elektroniki organicznej. Na przykład takie polimery umożliwią wydrukowanie dowolnego układu scalonego na prostodrukarki komputerowe używające specjalnego roztworu chemicznego zamiast atramentu. Ten- ucho - znacząca przewaga technologiczna i ekonomiczna, ponieważ drukarka jest łatwa w obsłudze i

kosztuje grosze w porównaniu do tradycyjnych drogichsprzęt do produkcji układów scalonych.

Na przykład na drukarkach w najbliższej przyszłości pracownicyBrytyjska firma Cambrige Display Technologies rozpocznie produkcję wyświetlaczy wideo do telefonów komórkowych i telefonów komórkowych

inne urządzenia przenośne. Materiał wyjściowy do takichpojawią się nowe wyświetlaczepolimery emitujące światło, gdzie promieniowaniepowstaje w wyniku rekombinacji elektronów i dziur. Równieżnależy się spodziewać wkrótcemasowa produkcja nowychoparte na plastikowych monitorachmatryce polimerowe. Na zdjęciuprzedstawia jedno z laboratoriumpróbki takich wyświetlaczy od Universal Display.

Ryc. 110. Demonstracja elastycznego

monitor przewodzący

polimer*

Co więcej, jeśli można drukować zarówno przewodniki, jak i polimery, to dlaczego nie wydrukować samej drukarki?Właśnie to starają się robić wolontariusze projektu RepRap.- samoreplikująca się drukarka, która może wydrukować wszystkoszczegóły dotyczące ich kopii z przewodzących, półprzewodzących i nieprzewodzących atramentów polimerowych. Oczywiście, że nie może

po prostu odtworzyć- na takiej drukarce będzie to możliwe bez problemu„wydrukuj” aparat cyfrowy lub telefon komórkowy!