انواع پلیمرهای رسانا به دلیل خواص برجستهشان، از جمله خواص الکتریکی قابل تنظیم، خواص نوری و مکانیکی بالا، سنتز آسان و ساخت بدون زحمت و پایداری محیطی بالا نسبت به مواد معدنی معمولی، به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفتهاند. اگرچه انواع پلیمرهای رسانا محدودیت های زیادی در شکل بکر خود دارند، هیبریداسیون با مواد دیگر بر این محدودیتها غلبه میکند. اثرات هم افزایی کامپوزیتهای پلیمری رسانا به آنها کاربردهای گستردهای در زمینههای الکتریکی، الکترونیکی و اپتوالکترونیکی میدهد. پلیمر رسانا در میان انواع هادی میتواند جای گیرد. تجزیه و تحلیل عمیق کامپوزیتهای انواع پلیمرهای رسانا با مواد کربندار، اکسیدهای فلزی، فلزات واسطه و دی کالکوژنیدهای فلزات واسطه و غیره برای مطالعه موثر آنها استفاده میشود. پیشرفتهای اخیر در کاربردهای آنها در زمینههای ذخیرهسازی انرژی، فوتوکاتالیز، پوششهای ضد خوردگی، کاربردهای زیستپزشکی و کاربردهای حسگر نیز بسیار است. خواص ساختاری نقش مهمی در عملکرد کامپوزیتها ایفا میکند.
تاریخچه مختصر از پلیمرها و پلیمرهای رسانا
پلیمرهای طبیعی از ابتدا در اطراف ما بودهاند و به اشکال مختلف ما را احاطه کردهاند. از سوی دیگر، اولین تولید پلیمرهای مصنوعی در صنعت به سال 1907 بازمیگردد، که در آن باکلند اولین پلیمر گرماسخت مصنوعی، فنل فرمالدئید را که بهعنوان تجاری باکلیت شناخته میشود، ساخت. تا دهه 1970 بود که توسعه انواع پلیمرهای رسانا در سراسر جهان دانشمندان و مهندسان مورد توجه و توجه قرار گرفت. در سال 1975 پلی گوگرد نیترید به عنوان ابررسانا در دماهای پایین کشف شد و این کشف راه را برای تحقیقات فشرده در زمینه انواع پلیمرهای رسانا هموار کرد. یکی از شناخته شده ترین پلیمرهای رسانا، پلی آنیلین، راه خود را در کاربردهای مختلف در برخی از تحقیقاتی ترین صنایع اخیر پیدا کرده است.
معرفی انواع پلیمرهای رسانا
پلیمرها قبل از اختراع انواع پلیمرهای رسانا (پلیمرهای مزدوج) به عنوان عایق های الکتریکی در نظر گرفته میشدند، اما این پلیمرهای آلی دارای خواص الکتریکی و نوری منحصر به فردی شبیه به نیمه هادیهای معدنی هستند. یک زنجیره کربن مزدوج از پیوندهای منفرد و دوتایی متناوب تشکیل شده است، که در آن پیوندهای π بسیار غیرمحلی، پلاریزه و الکترونی چگال مسئول رفتار الکتریکی و نوری آن هستند. انواع پلیمرهای رسانای معمولی عبارتند از پلی استیلن (PA)، پلی آنیلین (PANI)، پلی پیرول (PPy)، پلی تیوفن (PTH)، پلی (پارا فنیلن) (PPP)، پلی (فنیلن وینیلن) (PPV) و پلی فوران (PF). پلیمرهای معمولی از هزاران تا میلیونها واحد مونومر تشکیل شده اند. آنها سفت و محلول در حلالها هستند، اما یک زنجیره پلیمری مزدوج یا انواع پلیمرهای رسانا از تعداد کمتری واحد مونومر تشکیل شده است. خاصیت مکانیکی با وجود پیوندهای متناوب منفرد و دوگانه موجود در آن به دست میآید. حلالیت و فرآیند پذیری انواع پلیمرهای رسانا عمدتاً به زنجیرههای جانبی متصل بستگی دارد و یونهای ناخالص متصل به آنها خواص مکانیکی، الکتریکی و نوری میدهد. پلیمرهای رسانا کریستالی و تا حدی بیشکل هستند. انواع پلیمرهای رسانا از هر دو حالت موضعی و غیرمحلی تشکیل شدهاند و جابجایی پیوندهای π به شدت به بینظمی بستگی دارد و این جابجایی نقش اساسی در تولید حاملهای بار مانند پولارونها، دوقطبیها، سالیتونها و غیره دارد که مسئول انتقال از عایق به فلز هستند. 4 رسانایی پلیمرهای مزدوج مانند یک عایق به یک نیمه هادی در شکل خالص آنها عمل میکند و رسانایی با غلظت ناخالص افزایش مییابد. در حالت بدون لایه، آنها به عنوان یک ساختار الکترونیکی ناهمسانگرد و شبه یک بعدی با فاصله باند متوسط 2-3 eV مانند یک نیمه هادی معمولی رفتار میکنند و رفتار الکتریکی و نوری نیمه هادیها را همراه با عملکرد مکانیکی پلیمرهای معمولی از خود نشان میدهند. هنگامی که پلیمرهای مزدوج تحت دوپینگ یا تحریک نوری قرار میگیرند، پیوند π به خودی خود موضعی میشود تا تحت تحریک غیرخطی مانند پولارون، سالیتون، دو قطبی و غیره قرار گیرد و پلیمر از حالت تحریک غیرخطی به حالت فلزی تبدیل میشود.
چگونه یک پلیمر می تواند الکتریسیته را هدایت کند
اگرچه مکانیزم پشت رسانایی پلیمرها هنوز به طور کامل توسط مهندسان و دانشمندان درک نشده است، برخی از خواص ساختاری برای تأثیرگذاری بر رسانایی پلیمرهای مذکور شناخته شده است. یکی از ویژگی های مشترک همه انواع پلیمرهای رسانا این است که آنها پلیمرهای مزدوج هستند. پلیمرهای مزدوج دستهای از پلیمرهای آلی هستند که ذاتاً نیمه رسانا هستند و در برخی موارد میتوانند خواص شبه فلزی را با توجه به رسانایی از خود نشان دهند برای درک کامل فیزیک پشت رسانایی این دسته از پلیمرها، باید به ساختار مولکولی یک پلیمر مزدوج نگاه کنیم. شماتیکی از ساختار مولکولی حالتهای مختلف اکسیداسیون پلی آنیلین را نشان میدهد. از نظر رسانایی پلیمر، پیوند تک و دوتایی مبادلهای را که در سرتاسر ستون فقرات پلیمر رخ میدهد، قابل مشاهده است. این به عنوان ستون فقرات مزدوج نیز شناخته می شود. اساساً آنچه در ستون فقرات مزدوج یک پلیمر به دست میآید، همپوشانی اوربیتالهای p است که امکان جابجایی الکترونها را در امتداد آن اوربیتالها فراهم میکند. بنابراین، الکترونهای جابجا شده ممکن است به عنوان حاملهای بار عمل کنند، زیرا آزادانه در کل سیستم حرکت میکنند. جابجایی الکترون همچنین مکانیسمی است که مسئول هدایت الکتریکی فلزات است.
رسانایی الکتریکی پلیمرهای مزدوج
پلیمرها از دیرباز به عنوان مواد عایق شناخته شدهاند و اغلب برای عایق کاری کابلها و وسایل الکتریکی استفاده میشوند. با این حال، تعدادی پلیمر نیز وجود دارند که رسانای الکتریکی هستند. هدایت الکتریکی این پلیمرها بر اساس وجود پیوندهای دوگانه مزدوج در امتداد ستون فقرات پلیمر است. کونژوگاسیون به این معنی است که ستون فقرات پلیمری از پیوندهای متناوب تک و زوج تشکیل شده است. پیوندهای شیمیایی قوی بین اتمهای کربن، پیوندهای σ موضعی نامیده میشوند، در حالی که پیوندهای دوگانه، پیوندهای π موضعی ضعیفتر و با شدت کمتری را ایجاد میکنند. با این حال، رسانایی این پلیمرها نسبتاً کم است. تنها زمانی که یک الکترون توسط اکسیداسیون (p-doping) از نوار ظرفیت حذف شود یا با احیا (n-doping) به نوار رسانا اضافه شود، پلیمر بسیار رسانا میشود. از طریق چنین فرآیند دوپینگی، نقصهای بار (پلارون، دو قطبی و سالیتون) ایجاد میشود که میتواند از طریق ستون فقرات پلیمر، یا به عبارت دقیقتر، از طریق نوار رسانایی عبور کند.
کاربرد انواع پلیمرهای رسانا در آینده
کاربرد صنعتی پلیمرهای رسانای الکتریکی حوزهای است که هنوز در معرض تحقیقات فعال است. انواع پلیمرهای رسانا در پزشکی نیز کاربرد دارند، صنعت پزشکی با معرفی پلیمرهای رسانا شاهد یک تغییر انقلابی خواهد بود. آینده بسیار امیدوار کننده به نظر میرسد، که میتوان از اندازه بازار جهانی پیش بینی شده در سال 2021 استنباط کرد. دنیا به سمت تجاری سازی صنعتی بیشتر پلیمرهای رسانا حرکت میکند و در نتیجه، اگر درمانهای پزشکی یا دستگاههای الکتریکی آینده دید، نباید تعجب کنید. بر اساس خواص رسانایی جذاب یک ماده پلیمری ذاتا این تغییرات ساده است.
منبع