Odoslanie dobrej práce do databázy znalostí je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár
Študenti, postgraduálni študenti, mladí vedci, ktorí využívajú vedomostnú základňu pri štúdiu a práci, vám budú veľmi vďační.
rok 2014
Téma: Polyméry a ich využitie v 21. storočí
1. Polyméry
1. Definícia molekulárneho polykondenzačného polyméru
v Podľa svojej definície je polymér vysokomolekulárna zlúčenina obsahujúca dostatočné množstvo monomérov alebo „monomérnych jednotiek“.
v Inými slovami, polyméry sú lineárne reťazce pozostávajúce z veľkého (N>1) počtu identických jednotiek. Napríklad pre syntetické polyméry č. 102-104.
v Polyméry sú spravidla látky s molekulovou hmotnosťou od niekoľkých tisíc do niekoľkých miliónov.
2. Prvá výroba polyméru:
v V roku 1867 získal ruský chemik Alexander Butlerov prvý polymér – dovtedy neznámy polyizobutylén.
v A v roku 1910 Sergej Lebedev, tiež ruský chemik, syntetizoval prvú vzorku umelého kaučuku ((CH3)2C=CH2)n
3. Reakcie na výrobu polymérov - polykondenzácia a polymerizácia:
v V zásade sa všetky polyméry vyrábajú dvoma spôsobmi - polykondenzáciou a polymerizačnými reakciami.
v Molekuly obsahujúce viacnásobnú (zvyčajne dvojitú) väzbu vstupujú do polymerizačnej reakcie. Takéto reakcie prebiehajú podľa adičného mechanizmu, všetko začína rozbitím dvojitých väzieb (reakcia č. 1 - výroba polyetylénu):
v Týmto typom reakcie sa vyrába veľa polymérov vrátane nylonu.
Uverejnené na http://www.allbest.ru/
rok 2014
1. Klasifikácia polymérov:
2. Štruktúra polyméru:
3. Aplikácia:
v Pre svoje cenné vlastnosti sa polyméry používajú v strojárstve, textilnom priemysle, poľnohospodárstve a medicíne. Automobilový priemysel a stavba lodí, výroba lietadiel av každodennom živote (textil a kožený tovar, riad, lepidlá a laky, šperky a iné predmety).
v Gumy, vlákna, plasty, filmy a nátery sú vyrobené z vysokomolekulárnych zlúčenín.
2. Polyméry. Aplikácia v 21. storočí
v Veda sa dlho nezastavila a za tú dobu od objavenia polyméru až po súčasnosť sa vytvorilo veľké množstvo modifikácií tejto úžasnej látky. Niektoré z najnovších vývojov sú nasledujúce tri polyméry, z ktorých každý má jedinečné vlastnosti.
1. „Inteligentná plastelína“
v Hlavnou zložkou takejto plastelíny je polydimetylsiloxán - (C2H6OSi)n. Tento polymér kombinuje niekoľko neobvyklých vlastností. Takže v závislosti od rôznych podmienok prostredia sa správa inak: v pokoji sa šíri ako kvapalina, pod ostrým mechanickým nárazom sa rozpadá na kusy ako pevná látka.
v „Inteligentná plastelína“ bola získaná náhodou; jej vynálezca zmiešal silikónový olej s kyselinou boritou v nádeji, že získa nový typ gumy, ale ukázalo sa, že lepiaca hmota nie je podobná.
2. Hydrogél
v Hydrogély sú pevné granuly, polymérna látka, ktorá dokáže zväčšiť objem viac ako desaťkrát za pár hodín. Potrebujete k tomu len vodu, granule po odparení vody napučia a zmäknú ako vosk, opäť sa scvrknú a stvrdnú. Takéto látky sa nazývajú superabsorbenty; nielenže absorbujú obrovské množstvo vody, napučaný polymér ju zadržiava vo vnútri svojimi vlastnými molekulami.
v Keď je rozpúšťadlo absorbované polymérom, cievky sú natiahnuté, t.j. V počiatočnom stave stlačená polymérová guľa absorbuje rozpúšťadlo, ako je voda, a je súčasťou gule.
v Tento princíp je základom ekologických pôd a hydrogélov používaných v poľnohospodárstve. Pri zalievaní rastlín zvyčajne väčšina vody ide do hlbších vrstiev pôdy. Hydrogél pridaný do pôdy vám nedovolí presiaknuť cez prsty, aj keď sa rastlina cez granulu zakorení, voda z nej nevyleje.
v Keďže molekula vody je zabudovaná vo vnútri polymérnych reťazcov hydrogélu, keď je hydrogél fyzicky zničený, nepozoruje sa žiadny únik vody a systém si zachová rovnaké vlastnosti ako pred zničením.
v Najvýraznejším príkladom práce superabsorbentu sú detské jednorazové plienky, aj tí, ktorí sa s nimi nestretli, poznajú princíp fungovania. Viacvrstvový dizajn obsahuje rovnaký polymér, ktorý absorbuje tekutinu ako špongia. Hydrogél, podobná látka z plienky, môže vykonávať aj vážnejšie práce, napríklad v ropnom priemysle.
v V produkcii ropy sú už dlhší čas vážne problémy. Pri odčerpávaní pripadajú na každú tonu „čierneho zlata“ tri tony vody. Obrovské množstvo peňazí sa vynakladá na čistenie oleja od prebytočnej tekutiny. Vedci dlho hľadali spôsob, ako oddeliť ropu od vody predtým, ako sa dostane do ropovodu, riešenie sa našlo v laboratóriu Moskovskej štátnej univerzity.
v Polymérna kvapalina sa čerpá do ropného vrtu a správa sa odlišne v závislosti od toho, či vrt prechádza cez vodnú alebo ropu obsahujúcu formáciu.
v Princíp činnosti je pomerne jednoduchý. Keď sa polymérna kvapalina dostane do studne, reaguje inak na ropu a vodu, nereaguje s „čiernym zlatom“, ale keď polymér na svojej ceste narazí na vodu, okamžite ju absorbuje. Napuchnutý gél upchá vrstvu vody a nepustí ju von. Expanzia hydrogélu vytvára dodatočný tlak na olej, čo vedie k jeho vytlačeniu v čistom stave.
3. "Inteligentná medicína"
v Niektoré polyméry majú schopnosť reagovať na zmeny vonkajšieho prostredia, takže „inteligentná plastelína“ mení farbu v závislosti od teploty. V studenej vode citeľne stmavne, ak ho prenesiete do vody izbovej teploty, vráti sa do pôvodnej farby. Pri zmene teploty sa mení hustota gule, t.j. čím je teplota nižšia, tým je objem guľôčky menší a teda pri poklese teploty sa farbivo vytláča a pri odnášaní sa farbivo vťahuje do guľôčky, čo vedie k zmene farby.
v Polymér vytláča farbu ako špongia vytláča vodu, ale čo ak nahradíte farbivo liekom, dokáže polymér dodať požadovanú dávku lieku kontrolovaným spôsobom? V živom organizme je taká cielená transportná medicína, s týmto problémom, ktorý sa rieši a ktorý treba riešiť, sa celkom vážne bojuje.
v Väčšina liekov sa plytvá. Tableta nevie nájsť chorý orgán po rozpustení v žalúdku sa krvou rozšíri do celého tela a na požadované miesto sa nedostane viac ako 10 % liečiva. V ideálnom prípade by sa liek mal dostať priamo do chorého orgánu a nespôsobovať vedľajšie účinky.
v „Inteligentné polyméry“ dokážu reagovať nielen na teplotu, ale sú citlivé na akúkoľvek zmenu prostredia, pre ktoré sú naprogramované. Vieme, že zraňovanie je sprevádzané okyslením, t.j. prostredie sa okyslí, ale toto hélium je vyrobené tak, že keď sa okyslí, trochu sa stiahne a vytlačí liek, ktorý bol doň vstreknutý.
v Na báze polymérového gélu bol vytvorený unikátny liek - hydrogély na hojenie rán. Hydrogél sa skladá z ôsmich zložiek, ktoré sa v určitom poradí miešajú v destilovanej vode. V priemyselnom meradle sa každá zložka pridáva v určitom časovom intervale pri reakcii, tieto látky vytvárajú stabilnú polymérnu štruktúru, do ktorej sa potom pridáva liečivo.
v Gél je nosič, ktorý obsahuje liečivo v mikrokapsulách, nazýva sa aj „inteligentný gél“ – pretože bez ohľadu na ľudí, ktorí ho používajú, sám vyhľadáva a nachádza postihnuté miesta a poskytuje pomoc. Hydrogél obsahuje nie jedno, ale niekoľko liečiv naraz na ranu, polymér ich uvoľňuje jeden po druhom, podľa toho, čo telo potrebuje na utlmenie bolesti alebo na začatie procesu hojenia dlhú dobu a potom sa dá jednoducho umyť vodou. Pred touto prácou v Rusku nič také nebolo.
v Obal kapsuly (tablety) funguje na rovnakom princípe, je vyrobený zo špeciálneho polyméru, ktorý je zodpovedný nielen za dodávanie liekov podľa určenia, ale aj za uvoľňovanie určitej dávky lieku v priebehu času.
Bibliografia
1. ru.wikipedia.org
2. http://www.sigmapluss.ru/umniipolimer.php
3. http://www.kation-msk.ru/ru/press/article/15_8.html
4. http://xn--e1aogju.xn--p1ai/
5. http://www.km.ru/referats/7FA5CF33809646779974A80FDAD7A6CC
Uverejnené na Allbest.ru
...Podobné dokumenty
Tvorba vysokomolekulárnej zlúčeniny z jednoduchých molekúl monomérov počas polymerizačných a polykondenzačných reakcií. Polykondenzačný proces je postupný proces, pri ktorom výsledné produkty navzájom reagujú. Molekulové reťazce.
abstrakt, pridaný 28.01.2009
Štúdium koncepcie a štruktúry polymérov, ich klasifikácie podľa pôvodu, tvaru molekuly a povahy. Charakteristika hlavných výrobných metód - polykondenzácia a polymerizácia. Plasty a vlákna. Aplikácia polymérov v medicíne a stavebníctve.
prezentácia, pridaná 12.10.2015
Praktická realizácia emulznej polymerizácie a kopolymerizácie akrylových monomérov, reakčná rýchlosť a kinetika, ovplyvňujúce faktory. Spôsob predbežnej tvorby koncentrovanej emulzie, tvorby mikroemulzie a analýzy jej disperzity.
článok, pridaný 22.02.2010
Klasifikácia polykondenzačných reakcií, hĺbka ich výskytu, Carothersova rovnica. Vplyv rôznych faktorov na molekulovú hmotnosť a výťažok polyméru počas polykondenzácie. Spôsoby uskutočnenia reakcie. Polyméry získané polykondenzačnou reakciou.
test, pridané 19.09.2013
Polyetylén je zlúčenina s vysokou molekulovou hmotnosťou, polymér etylénu; biely pevný produkt, odolný voči olejom, acetónu, benzínu a iným rozpúšťadlám. Rozsah použitia polyetylénu. Oblasti použitia polyetylénových rúr a ich hlavné výhody.
abstrakt, pridaný 27.10.2010
Všeobecná koncepcia polymérov. Proces získavania zlúčenín s vysokou molekulovou hmotnosťou. Biokompatibilné materiály a zariadenia. Organické, organoprvkové, anorganické polyméry. Prírodné organické polyméry. Použitie bioadhéznych látok v neinvazívnej terapii.
abstrakt, pridaný 23.04.2013
Čo sú polyméry a črty vývoja vedy o polyméroch. Popis rozdielov vo vlastnostiach zlúčenín s vysokou a nízkou molekulovou hmotnosťou. História vývoja výroby polymérov. Technologický proces tvorby, výroby a distribúcie polymérov.
abstrakt, pridaný 6.12.2011
Tvorba vysokomolekulárnej zlúčeniny z molekúl monomérov počas polymerizačných a polykondenzačných reakcií. Polykondenzačný proces je postupný proces, pri ktorom výsledné produkty navzájom reagujú. Katalytická polymerizácia.
abstrakt, pridaný 28.01.2009
Polyméry ako organické a anorganické, amorfné a kryštalické látky. Vlastnosti štruktúry ich molekúl. História pojmu "polymér" a jeho význam. Klasifikácia polymérnych zlúčenín, príklady ich typov. Aplikácia v každodennom živote a priemysle.
prezentácia, pridaná 10.11.2010
Klasifikácia, štruktúra polymérov, ich využitie v rôznych odvetviach a v každodennom živote. Reakciou tvorby polyméru z monoméru je polymerizácia. Vzorec na výrobu polypropylénu. Polykondenzačná reakcia. Získanie škrobu alebo celulózy.
O vytvorení rôznych „plastových“ elektronických zariadení v
V súčasnosti pôsobí mnoho spoločností a výskumných laboratórií. O tom
Počítačová tlač, vrátane nášho týždenníka, písala neraz. Je to pravda,
Väčšina dnes navrhovaných riešení zahŕňa nejaký druh
spojenie nových a tradičných technológií. Napríklad jeden z najbežnejších
prístupom je nanášanie polovodičových materiálov na plastový substrát.
V skutočnosti však existuje potenciálne ďalšia možnosť - použitie
plastové materiály s vodivými vlastnosťami, presnejšie vodivé polyméry.
Prvé, najdôležitejšie výsledky v tejto oblasti, ktoré sa v podstate stali východiskom
pre všetky ďalšie výskumy, ktoré získal Hideki Shirakawa
z University of Tsukuba (Japonsko), Alan J. Heeger z Kalifornie
University a Alan G. MacDiarmid z University of Pennsylvania.
Navyše, podľa legendy boli vodivé polyméry objavené náhodou: počas
fúzna reakcia bola jednoducho chybou jedného zo Shirakawových študentov. No, prvá vec
správa o nich vyšla v roku 1977 v Journal of Chemical Society.
Čo sú vodivé polyméry? Stručne povedané, sú založené na vysokomolekulárnych látkach s molekulami, v ktorých sa striedajú dvojité väzby. Vo svojej čistej forme nie sú vodičmi náboja, pretože elektróny v nich sú lokalizované v dôsledku ich účasti na tvorbe silných chemických väzieb. Na uvoľnenie elektrónov sa používajú rôzne nečistoty; po ich zavedení je možné presúvať náboje (elektróny a diery) pozdĺž molekulového reťazca.
Vodivé polyméry získané Hideki Shirakawa na báze polyacetylénu mali špecifickú vodivosť rádovo 0,001-0,01 S/m, čo približne zodpovedá polovodičom. Následne boli syntetizované materiály s vodivosťou 10 000 S/m, ktoré už možno podmienečne nazvať „zlé“ vodiče.
Jedným z ďalších dôležitých krokov v tomto smere bolo získanie hneď na začiatku
Elektroluminiscenčné polyméry 90. rokov. Sú tiež vodivé a
žiarenie v nich vzniká v dôsledku rekombinácie nábojov a dier. Zatiaľ
Postupom času sa takéto polyméry už široko používajú v elektronickom priemysle:
Práve na ich základe sú postavené displeje na organických svetelných diódach (OLED - Organic).
Light-Emitting Display), ktorú mnohí odborníci považujú za veľmi vážnu
konkurent LCD displejov na trhu vreckových zariadení. Medzi poprednými spoločnosťami
vývoj v tejto oblasti - British Cambridge Display Technology (www.cdtltd.co.uk),
Nemecké organické polovodiče Covion (www.covion.com),
holandský Philips (www.research.philips.com),
ako aj UNIAX (www.uniax.com),
založil v roku 1990 Alan Heeger a minulý rok ho predal spoločnosti DuPont.
Pokiaľ ide o použitie vodivých polymérov v mikroelektronických zariadeniach namiesto tradičných polovodičových materiálov, zatiaľ nebol pozorovaný žiadny významný pokrok, najmä preto, že ešte nie sú schopné poskytnúť dostatočný výkon. (Aj keď tieto materiály pre svoju nízku cenu a mechanické vlastnosti už našli pomerne široké uplatnenie; jedným z najjednoduchších príkladov sú ochranné filtre na obrazovky monitorov, ktoré boli pred niekoľkými rokmi veľmi bežné.) Napriek tomu mnohí odborníci stále predpokladajú, že niekedy polyméry sa stanú základnými komponentmi mikroelektroniky a budú sa používať povedzme ako spojenia medzi výpočtovými prvkami zostavenými z molekulárnych polí, čo zvýši stupeň integrácie a výkon mikroobvodov o niekoľko rádov. Je pravda, že dosiahnutie takéhoto pokroku bude trvať viac ako tucet rokov.
No a na záver by som chcel povedať ešte jednu vec k tomu, že v skutočnosti slúžil
jeden z impulzov pre napísanie tohto krátkeho článku: v roku 2000 vedci, ktorí objavili
vodivé polyméry - Shirakawa, Heeger a McDiarmid - sa stali laureátmi Nobelovej ceny
ceny v chémii.
Úvod
V roku 1965, na úsvite počítačového veku, riaditeľ výskumu Fairchild Semiconductors Gordon Moore predpovedal, že počet tranzistorov na čipe sa každý rok zdvojnásobí. Uplynulo 35 rokov a Moorov zákon stále platí. Je pravda, že postupom času sa v praxi mikroelektronickej výroby mierne zmenilo: dnes sa verí, že počet tranzistorov sa zdvojnásobuje každých 18 mesiacov. Toto spomalenie rastu je spôsobené zvyšujúcou sa zložitosťou architektúry čipov. V prípade kremíkovej technológie však Moorova predpoveď nemôže platiť navždy.
Moorov zákon má však ďalšie, zásadné obmedzenie. Zvýšenie hustoty prvkov na mikroobvode sa dosiahne zmenšením ich veľkosti. Už dnes môže byť vzdialenosť medzi prvkami procesora 0,13x10 -6 metrov (tzv. 0,13-mikrónová technológia). Keď rozmery tranzistorov a vzdialenosti medzi nimi dosiahnu niekoľko desiatok nanometrov, začnú platiť takzvané veľkostné efekty – fyzikálne javy, ktoré úplne narušia činnosť tradičných kremíkových zariadení. Okrem toho, keď sa hrúbka dielektrika v tranzistoroch s efektom poľa znižuje, zvyšuje sa pravdepodobnosť prechodu elektrónov cez neho, čo tiež narúša normálnu prevádzku zariadení.
Ďalším spôsobom zvýšenia produktivity je použitie iných polovodičov, ako je arzenid gália (GaAs), namiesto kremíka. Vďaka vyššej pohyblivosti elektrónov v tomto materiáli možno výkon zariadení zvýšiť o ďalší rád. Technológie na báze arzenidu gália sú však oveľa zložitejšie ako tie kremíkové. Preto aj keď sa do výskumu GaAs za posledné dve desaťročia investovali značné prostriedky, integrované obvody na ňom založené sa využívajú najmä vo vojenskej oblasti. Tu je ich vysoká cena kompenzovaná nízkou spotrebou energie, vysokým výkonom a odolnosťou voči žiareniu. Avšak aj pri vývoji zariadení GaAs zostávajú v platnosti obmedzenia v dôsledku základných fyzikálnych princípov a výrobnej technológie.
Preto dnes špecialisti z rôznych oblastí vedy a techniky hľadajú alternatívne spôsoby ďalšieho rozvoja mikroelektroniky. Molekulárna elektronika ponúka jeden spôsob riešenia problému.
MOLEKULÁRNA ELEKTRONIKA - TECHNOLÓGIA BUDÚCNOSTI.
Možnosť využitia molekulárnych materiálov a jednotlivých molekúl ako aktívnych prvkov elektroniky už dlho priťahuje pozornosť výskumníkov z rôznych oblastí vedy. Avšak len nedávno, keď sa hranice potenciálnych možností polovodičovej techniky stali prakticky hmatateľnými, sa záujem o molekulárnu ideológiu konštrukcie základných prvkov elektroniky presunul do hlavného prúdu aktívneho a cieleného výskumu, ktorý sa dnes stal jedným z najdôležitejších a perspektívne vedecké a technické oblasti elektroniky.
Ďalšie perspektívy rozvoja elektroniky sú spojené s vytvorením zariadení využívajúcich kvantové javy, v ktorých sa už počítajú jednotky elektrónov. V poslednej dobe sa vo veľkej miere uskutočňujú teoretické a experimentálne štúdie umelo vytvorených nízkorozmerných štruktúr; kvantové vrstvy, drôty a bodky. Očakáva sa, že špecifické kvantové javy pozorované v týchto systémoch môžu tvoriť základ pre vytvorenie zásadne nového typu elektronických zariadení.
Prechod na kvantovú úroveň je nepochybne novou, dôležitou etapou vo vývoji elektroniky, pretože umožňuje prejsť na prácu prakticky s jednotlivými elektrónmi a vytvárať pamäťové prvky, v ktorých jeden elektrón môže zodpovedať jednému bitu informácie. Vytvorenie umelých kvantových štruktúr však predstavuje skľučujúcu technologickú výzvu. Nedávno sa ukázalo, že implementácia takýchto štruktúr je spojená s veľkými technologickými ťažkosťami aj pri vytváraní jednotlivých prvkov a neprekonateľné ťažkosti vznikajú pri vytváraní čipov s mnohými miliónmi prvkov. Východiskom z tejto situácie je podľa mnohých výskumníkov prechod na novú technológiu – molekulárnu elektroniku.
Základnú možnosť využitia jednotlivých molekúl ako aktívnych prvkov mikroelektroniky vyjadril Feynman už v roku 1957. Neskôr ukázal, že kvantové mechanické zákony nie sú prekážkou pri vytváraní elektronických zariadení s veľkosťou atómu, pokiaľ hustota záznamu informácií nepresahuje 1 bit/atóm. Avšak až s príchodom prác Cartera a Avirama sa začalo hovoriť o molekulárnej elektronike ako o novom interdisciplinárnom odbore vrátane fyziky, chémie, mikroelektroniky a informatiky a s cieľom preniesť mikroelektroniku na novú elementárnu základňu - molekulárnu elektroniku. zariadení.
To rozhodne naznačuje analógiu s históriou vývoja presných časových zariadení, ktoré prešli od mechanických chronometrov s rôznymi typmi kyvadiel cez kremenné hodinky založené na rezonanciách v pevnej fáze a napokon dnes najpresnejšie hodinky využívajú intramolekulárne efekty. v molekulách amoniaku atď. Podobne sa vyvíja aj elektronika, ktorá prechádza od mechanických elektromagnetických relé a vákuových elektrónok k polovodičovým tranzistorom a mikroobvodom a dnes sa priblížila k prahu, za ktorým leží oblasť molekulárnej technológie.
Nie je náhoda, že sa pozornosť sústredila na molekulárne systémy. Po prvé, molekula je ideálna kvantová štruktúra pozostávajúca z jednotlivých atómov, pohyb elektrónov pozdĺž ktorých je určený kvantovo-chemickými zákonmi a je prirodzeným limitom miniaturizácie. Ďalšou, nemenej dôležitou vlastnosťou molekulárnej technológie je, že vytváranie takýchto kvantových štruktúr značne uľahčuje skutočnosť, že ich tvorba je založená na princípe samoskladania. Schopnosť atómov a molekúl sa za určitých podmienok spontánne spájať do vopred určených molekulárnych útvarov je prostriedkom na organizovanie mikroskopických kvantových štruktúr; Operácia s molekulami predurčuje cestu ich vzniku. Práve syntéza molekulárneho systému je prvým aktom samo-zostavenia zodpovedajúcich zariadení. To zaisťuje identitu zostavených súborov, a teda identitu veľkostí prvkov, a tým aj spoľahlivosť a účinnosť kvantových procesov a fungovania molekulárnych zariadení.
Od samého začiatku vývoja molekulárneho prístupu v mikroelektronike zostala otvorená otázka fyzikálnych princípov fungovania molekulárnych elektronických zariadení. Preto sa hlavné úsilie sústredilo na ich hľadanie, pričom hlavná pozornosť bola venovaná jednotlivým molekulám alebo molekulovým zostavám. Napriek veľkému počtu prác v tomto smere nie je praktická implementácia molekulárnych zariadení ani zďaleka dokončená. Jedným z dôvodov je, že najmä v počiatkoch molekulárnej elektroniky sa kládol veľký dôraz na fungovanie jednotlivých molekúl, hľadanie a vytváranie bistabilných molekúl, ktoré napodobňujú spúšťacie vlastnosti. Samozrejme, tento prístup je z hľadiska miniaturizácie veľmi atraktívny, ale ponecháva malú šancu, že v blízkej budúcnosti bude možné vytvoriť molekulárne elektronické zariadenia.
Vývoj nového prístupu v mikroelektronike si vyžaduje riešenie množstva problémov v troch hlavných smeroch: vývoj fyzikálnych princípov fungovania elektronických zariadení; syntéza nových molekúl schopných uchovávať, prenášať a premieňať informácie; vývoj metód na organizovanie molekúl do supramolekulárneho súboru alebo molekulárneho elektronického zariadenia.
V súčasnosti prebieha intenzívne hľadanie koncepcií vývoja molekulárnej elektroniky a fyzikálnych princípov fungovania a vyvíjajú sa základy konštrukcie základných prvkov. Molekulárna elektronika sa stáva novým interdisciplinárnym vedným odborom, ktorý spája fyziku pevných látok, molekulovú fyziku, organickú a anorganickú chémiu a zameriava sa na prenos elektronických zariadení na novú elementárnu základňu. Na vyriešenie týchto problémov a sústredenie úsilia výskumníkov pracujúcich v rôznych oblastiach poznania sa vo všetkých priemyselných krajinách vytvárajú centrá molekulárnej elektroniky, spoločné laboratóriá a konajú sa medzinárodné konferencie a semináre.
Teraz a zrejme v blízkej budúcnosti je ťažké hovoriť o vytvorení molekulárnych elektronických zariadení fungujúcich na základe fungovania jednotlivých molekúl, ale v skutočnosti môžeme hovoriť o použití molekulárnych systémov, v ktorých majú intramolekulárne účinky makroskopické prejavom. Takéto materiály možno nazvať „inteligentné materiály“. Etapa vytvárania „inteligentných materiálov“, t.j. Etapa funkčnej molekulárnej elektroniky, prirodzené a nevyhnutné obdobie vo vývoji elektroniky, je určitým stupňom prechodu od polovodičovej technológie k molekulárnej. Je ale možné, že toto obdobie bude dlhšie, ako si teraz myslíme. Reálnejšie sa javí najmä v prvých fázach vývoja molekulárnej elektroniky využiť makroskopické vlastnosti molekulárnych systémov, ktoré by boli determinované štrukturálnymi reorganizáciami vyskytujúcimi sa na úrovni jednotlivých molekulárnych ansámblov. Fyzikálny princíp fungovania takýchto elektronických zariadení by mal odstrániť rozmerové obmedzenia, aspoň do veľkosti veľkých molekulárnych formácií. Z hľadiska elektroniky a potenciálnej možnosti spájania molekulárnych zariadení s ich polovodičovými náprotivkami by bolo vhodnejšie zaoberať sa molekulárnymi systémami, ktoré menia svoju elektrónovú vodivosť pod vonkajšími vplyvmi, predovšetkým pod vplyvom elektrického poľa.
Myšlienky molekulárnej elektroniky sa nescvrkávajú na jednoduchú výmenu polovodičového tranzistora za molekulárny, hoci tento konkrétny problém bude tiež vyriešený. Hlavným cieľom je stále vytvárať komplexné molekulárne systémy, ktoré súčasne implementujú niekoľko rôznych efektov, ktoré vykonávajú komplexnú úlohu. Medzi úlohy tohto typu je prirodzené zaradiť predovšetkým úlohu vytvorenia univerzálneho pamäťového prvku, ako najdôležitejšej súčasti každého informačného a výpočtového zariadenia. Zdá sa veľmi zrejmé, že potenciál molekulárnej elektroniky sa vo väčšej miere prejaví pri vytváraní neurónových sietí pozostávajúcich z neurónov a elektroaktívnych synapsií, ktoré ich spájajú. Vytvorenie umelých neurónov a rôznych typov senzorov začlenených do jedinej siete pomocou molekulárnej elektroniky otvorí cestu k realizácii všetkých potenciálnych možností, ktoré sú vlastné neuropočítačovej ideológii, umožní vytvorenie zásadne nového typu informačných a výpočtových systémov a priblížiť sa k vyriešeniu problému vytvárania umelej inteligencie.
Bakteriorhodopsín: štruktúra a funkcie.
Molekulárna elektronika je definovaná ako kódovanie (záznam), spracovanie a rozpoznávanie (čítanie) informácií na molekulárnej a makromolekulárnej úrovni. Hlavnou výhodou molekulárnej aproximácie je možnosť molekulárneho dizajnu a výroby zariadení zdola nahor, t.j. atóm po atóme alebo fragment po fragmente - parametre prístrojov sa určujú metódou organickej syntézy a genetického inžinierstva. Dve všeobecne uznávané výhody molekulárnej elektroniky sú významné zníženie veľkosti zariadenia a oneskorenia šírenia hradla logických prvkov.
Bioelektronika, odvetvie molekulárnej elektroniky, skúma možnosť využitia biopolymérov ako modulov počítačových a optických systémov riadených svetlom alebo elektrickými impulzmi. Hlavnou požiadavkou pre pravdepodobných kandidátov medzi veľkou rodinou biopolymérov je, že musia reverzibilne zmeniť svoju štruktúru v reakcii na nejaký fyzický stimul a generovať aspoň dva diskrétne stavy, ktoré sa líšia v ľahko merateľných fyzikálnych charakteristikách (napríklad spektrálnych parametroch).
V tomto ohľade sú veľmi zaujímavé proteíny, ktorých hlavná funkcia je spojená s transformáciou svetelnej energie na chemickú energiu v rôznych fotosyntetických systémoch. Najpravdepodobnejším kandidátom z nich je na svetle závislá protónová pumpa – bakteriorhodopsín (BR) z halofilného mikroorganizmu Halobacterium salinarum(predtým Halobacterium halobium), otvorený v roku 1971.
Bakteriorhodopsín, generátor protónového transportu obsahujúci sietnicu, je transmembránový proteín s 248 aminokyselinami s molekulovou hmotnosťou 26 kDa, ktorý preniká membránou vo forme siedmich a- špirály; N- a C-konce polypeptidového reťazca sú umiestnené na opačných stranách cytoplazmatickej membrány: N-koniec smeruje von a C-koniec smeruje dovnútra bunky (obr. 1, 2).
Obr.1.
Model BR v prvkoch sekundárnej štruktúry. Aminokyseliny sú izolované
podieľa sa na transporte protónov: zvyšky kyseliny asparágovej v kruhoch,
štvorec je arginínový zvyšok. Lys-216 (K-216) tvorí Schiffovu bázu (SB).
Šípka ukazuje smer transportu protónov.
Chromofor BR - protonovaný aldimín sietnice s a-aminoskupina zvyšku Lys-216 sa nachádza v hydrofóbnej časti molekuly. Po absorpcii svetelného kvanta počas fotocyklu dochádza k izomerizácii sietnice z všetky-E až 13Z forma. Proteínové mikroprostredie chromofóru možno považovať za receptor so substrátovou špecifickosťou pre všetky-E/13Z-retinal, ktorý katalyzuje túto izomerizáciu pri izbovej teplote. Okrem toho sú niektoré aminokyseliny zodpovedné za potlačenie iných izomerizácií ako všetky-E /13Z, napríklad z všetky-E- na 7Z-, 9Z-, 11Z-retinal. Zvyšok polypeptidového reťazca poskytuje protónový transportný kanál alebo chráni fotochrómnu vnútornú skupinu pred vplyvmi prostredia.
Vzájomná topografia prvkov sekundárnej štruktúry tvorených polypeptidovým reťazcom BR sa po absorpcii svetelného kvanta molekulou chromofóru mení, čo vedie k vytvoreniu kanála na transmembránový prenos protónov z cytoplazmy do vonkajšieho prostredia. Molekulárny mechanizmus transportu závislého od svetla však stále nie je známy.
Obr.2. Schematický model trojrozmernej (priestorovej) štruktúry BR Seven a -helixy tvoria chromoforovú dutinu a transmembránový kanál na prenos protónov.
BR sa nachádza v bunkovej membráne H. salinarum- halofilná archebaktéria, ktorá žije a rozmnožuje sa v slaných močiaroch a jazerách, kde môže koncentrácia NaCl presiahnuť 4 M, čo je 6-krát viac ako v morskej vode (~ 0,6 M). Tento jedinečný proteín je v mnohých ohľadoch podobný vizuálnemu proteínu rodopsínu, hoci ich fyziologické funkcie sú odlišné. Zatiaľ čo vizuálny rodopsín pôsobí ako primárny fotoreceptor, ktorý sprostredkováva tmavé videnie u väčšiny stavovcov, fyziologickou úlohou BR je umožniť halobaktériám pôsobiť ako fakultatívne anaeróby, keď je parciálny tlak kyslíka v prostredí nízky. Proteín funguje ako na svetle závislá protónová pumpa, ktorá zabezpečuje tvorbu elektrochemického gradientu protónov na povrchu bunkovej membrány, ktorý naopak slúži na akumuláciu energie. Primárna práca vykonaná gradientom je syntéza ATP prostredníctvom anaeróbnej (fotosyntetickej) fosforylácie a v tomto prípade predstavuje klasický príklad Mitchellovej chemiosmotickej hypotézy oxidatívnej fosforylácie. Keď nie je svetlo a parciálny tlak kyslíka je vysoký, baktérie sa vrátia k aeróbnej oxidatívnej fosforylácii.
Bunky H. salinarum obsahujú aj dva takzvané senzorické rodopsíny (CP I a CP II), ktoré zabezpečujú pozitívnu a negatívnu fototaxiu. Rôzne vlnové dĺžky čítajú CP I a CP II ako detekčné molekuly, ktoré spúšťajú kaskádu signálov, ktoré riadia bakteriálny bičíkový motor. Pomocou tohto elementárneho procesu vnímania svetla sa mikroorganizmy samostatne pohybujú do svetla vhodného spektrálneho zloženia. Okrem toho bunky obsahujú halorhodopsín (GR), čo je na svetle závislá pumpa Cl – iónov. Jeho hlavnou funkciou je transport iónov chlóru do bunky, ktoré baktéria neustále stráca, pohybujúc sa zvnútra von pod vplyvom elektrického poľa vytvoreného BR. Mechanizmus účinku GH je nejasný. Predpokladá sa, že Cl – sa viaže na kladne nabitý kvartérny dusík protónovanej Schiffovej bázy a izomerizácia sietnice z všetky-E vo forme 13Z spôsobuje pohyb tohto dusíka s pripojeným iónom Cl - od vstupu k výstupu Cl - vodivej dráhy.
Obr.3. Časť fialovej membrány (pohľad zhora).
BR je lokalizovaný v oblastiach bunkových membrán H. salinarum vo forme fialových membrán (PM), tvoriacich dvojrozmerné kryštály so šesťuholníkovou mriežkou. Tieto oblasti obsahujú samotný proteín, niektoré lipidy, karotenoidy a vodu (obr. 3). Zvyčajne majú oválny alebo okrúhly tvar so stredným priemerom približne 0,5 um a obsahujú približne 25 % lipidov a 75 % proteínu. PM sú odolné voči slnečnému žiareniu, kyslíku, teplotám nad 80ºC (vo vode) a do 140ºC (suché), pH od 0 do 12, vysoká iónová sila (3 M NaCl), pôsobenie väčšiny proteáz, citlivé na zmesi polárnych organické rozpúšťadlá s vodou, ale sú odolné voči nepolárnym rozpúšťadlám, ako je hexán. Veľký praktický význam má existujúca možnosť zabudovania PM do polymérnych matríc bez straty fotochemických vlastností.
Svetlom indukovaný transport protónov je v BR sprevádzaný množstvom cyklických spektrálnych zmien, ktorých súhrn sa nazýva fotocyklus (obr. 4). Tridsaťročný výskum viedol k pomerne podrobnému pochopeniu fotocyklu, no detaily transportu protónov sa stále skúmajú.
Fotochemický cyklus BR pozostáva z jednotlivých medziproduktov, ktoré je možné identifikovať tak podľa absorpčných maxím, ako aj podľa kinetiky tvorby a rozpadu. Obrázok 4 zobrazuje zjednodušený model fotocyklu BR.
Obr.4. Fotocyklus BR.
Fotochemické a tepelné štádiá sú znázornené ako hrubé a tenké šípky. Vertikálne symboly označujú všetky-E-konformácia sietnice (medziprodukty B A O), šikmé symboly označujú konformáciu 13Z. V tme sa BR zmení na zmes 1:1 D A B, táto zmes sa nazýva dark-adapted BR. Pri osvetlení BR dochádza k adaptácii svetla, t.j. prechod do základného stavu B. Odtiaľ začína fotocyklus, ktorý vedie k transportu protónov cez membránu. Počas prechodu L Komu M Počas približne 40 μs sa Schiffova báza deprotonuje a Asp85 sa protónuje. Odtiaľ ide protón do vonkajšej časti extracelulárnej časti protónového kanála. Počas prechodu M Komu N aldimín je reprotonizovaný. Zvyšok Asp96 pôsobí ako donor protónov. Asp96 je reprotonizovaný cez cytoplazmatický protónový hemikanál. Zatiaľ čo všetky transformácie medzi medziproduktmi sú reverzibilné, prechod z M I Komu M II, sa považuje za hlavný nezvratný krok vo fotocykle. Počas tohto prechodu sa dusík Schiffovej bázy stane nedostupným pre extracelulárnu časť protónového kanála, ale iba pre cytoplazmatický hemikanál, ktorý je spojený s konformačnými zmenami v molekule proteínu.
Fyzikálno-chemické vlastnosti medziproduktov sú charakterizované vlnovou dĺžkou ich absorpčných maxím a hodnotou špecifického molárneho extinkčného koeficientu. Protonácia SB a konfigurácia retinylidénového zvyšku ovplyvňujú hodnoty absorpčných maxím. Počas fotocyklu BR dochádza v proteíne k niekoľkým teplotne závislým konformačným zmenám, takže tvorbu väčšiny medziproduktov možno potlačiť ochladzovaním.
Okrem hlavného fotocyklu existujú dva stavy, ktoré je možné vyvolať umelo. V medziproduktoch P A Q 9Z konformácia sietnice. To sa dosiahne po fotochemickej excitácii všetky-E-retinal, keď je súčasne protónovaný Asp85. To sa dá dosiahnuť u divokého typu BR pri nízkom pH alebo deionizáciou (tvorba tzv. modrých membrán), avšak takéto prípravky sú nestabilné. Alternatívnym prístupom je nahradenie Asp85 aminokyselinou s inou hodnotou pKa, ktorá zostáva bez náboja pri hodnote pH, o ktorú je záujem, alebo úplné odstránenie karboxylovej skupiny miestne cielenou mutagenézou. Stabilita takýchto mutantných modrých membrán je vyššia.
Jedinečné vlastnosti bakteriorodopsínu poskytujú široké spektrum technických aplikácií, v ktorých je možné ho využiť, avšak komerčne realizovateľné sú dnes len optické, keďže ich integrácia do moderných technických systémov je najjednoduchšia.
Optické aplikácie sú založené na použití BR filmov - polymérnych matríc rôzneho zloženia, v ktorých sú obsiahnuté molekuly proteínov. V rámci projektu Rhodopsin boli u nás po prvýkrát vo svete získané a študované takéto filmy na báze divokého typu BR; v 80. rokoch bola preukázaná efektívnosť a prísľub použitia takýchto materiálov, nazývaných "Biochrom", ako fotochromatických materiálov a média na holografický záznam.
Veľmi zaujímavá je možnosť zmeny fotochemických vlastností BR filmov:
a) nahradenie prirodzeného chromofóru modifikovaným;
b) chemické (fyzikálno-chemické) vplyvy;
c) bodové náhrady určitých aminokyselinových zvyškov pomocou metód genetického inžinierstva.
Takto modifikované materiály môžu mať cenné špecifické vlastnosti, ktoré predurčia ich použitie ako elementárnej základne biopočítača.
Molekula myslenia
V posledných rokoch sa vedci v mnohých krajinách vrátili k starej a jednoduchej myšlienke „chemického“ počítača, v ktorom výpočty vykonávajú jednotlivé molekuly. Za posledný rok sa výskumníkom z niekoľkých laboratórií podarilo v tejto oblasti získať skvelé výsledky, ktoré sľubujú radikálnu zmenu situácie.
Veľký úspech vedci dosiahli pri práci s molekulami pseudorotoxánu (sú znázornené na obr. 1).
Podarilo sa im pripojiť takúto molekulu v tvare kruhu k osi - lineárnej molekule. Aby krúžok nevyskočil z osi, na jeho konce sú pripevnené veľké molekulárne fragmenty, ktoré zohrávajú úlohu „orechov“ (v tejto funkcii boli použité rôzne skupiny darcov). Pri reakcii s kyselinou (H+) alebo zásadou (B) sa krúžok môže posúvať z jedného konca osi na druhý, čím sa „prepína“ chemický stav. Je zábavné, že v princípe je na molekulárnej úrovni znovu vytvorené mechanické zariadenie, veľmi podobné spojeniu tyčí a kolies v prvých, najprimitívnejších, výpočtových zariadeniach zo 17. storočia (ak si však želáte, v tejto molekulárnej štruktúre môžete vidieť aj najjednoduchšie kancelárske počítadlo s jedným kĺbom na každej vetvičke).
Táto elegantná molekula chemického prepínača bola študovaná už na začiatku 90. rokov, ale na realizáciu myšlienky v praxi bolo stále potrebné prísť s metódami na kombinovanie a riadenie polí týchto minimikrodiód. Po vytvorení monovrstvy identicky orientovaných molekúl tohto typu na kovovom povrchu (tento veľmi zložitý problém bol vyriešený pomocou najnovších nanotechnologických metód samoskladania) na ňu vedci naniesli tenkú vrstvu zlata a vytvorili už primitívne prototypy logických brán. na tomto základe.
O niekoľko mesiacov neskôr spoločný tím Marka Reeda a Jamesa Tour (z univerzít Yale a Rice) predviedol verejnosti ďalšiu triedu prepínacích molekúl. Výsledky boli také pôsobivé, že časopis Scientific American (jún 2000) dokonca na obálku zaradil oznámenie „The Birth of Molecular Electronics“ (rád by som dodal – konečne!). Ako napísal jeden z autorov so zdržanlivou hrdosťou: „Vytvorili sme molekulu s premenlivou elektrickou vodivosťou, ktorá dokáže na náš príkaz akumulovať elektróny, to znamená, že funguje ako úložné zariadenie.“
V prvom rade James Tour pomocou špeciálnej techniky syntetizoval molekulárny reťazec benzén-1,4-ditiolátových jednotiek dlhý 14 nanometrov. Boli do nej zavedené skupiny, ktoré zachytávajú elektróny, ak je molekula „pod napätím“. Najťažším problémom, ktorý bol tiež prekonaný, bolo, že prepínanie musí byť reverzibilný chemický proces. Aby molekula fungovala ako úložný prvok, musí sa naučiť nielen zachytávať elektróny, ale uchovávať ich iba po určitú dobu. V skutočnosti je to presne hlavný úspech Reeda a Tour a ich kolegov.
Elektrochemický (v najprísnejšom a doslovnom zmysle slova!) prepínač je znázornený na obr. 2 (ľavá strana). Ide o reťazec troch benzénových kruhov, k centrálnemu z protiľahlých strán sú pripojené skupiny NO 2 a NH 2 (na obrázku farebne zvýraznené). Takáto asymetrická molekulárna konfigurácia vytvára elektrónový oblak zložitého tvaru, čo vedie k úžasne krásnemu a zásadne dôležitému fyzikálnemu efektu na vyriešenie daného problému - keď sa aplikuje pole, molekula sa skrúti, zmení sa jej odpor a začne prechádzať prúdom. (pravá strana obrázku). Keď sa pole odstráni, molekula sa točí opačným smerom a vráti sa do pôvodného stavu. Prepínač založený na tomto princípe je lineárny reťazec asi 1000 molekúl nitroaminobenzéntiolu umiestnený medzi dvoma kovovými kontaktmi. Navyše merania pomocou tunelovej mikroskopie (úlomok molekulového reťazca bol spájkovaný medzi ultratenké ihlovité zlaté elektródy; geometria experimentu je znázornená na obr. 3) umožnila získať prevádzkové parametre spínača, ktoré možno právom nazvať charakteristikou molekulového prúdu a napätia a molekulovou vodivosťou (obr. .4). Krivka vodivosti (ktorá sa, mimochodom, ukázala ako veľmi blízka vypočítanej) má jasne definovaný „ponor“. To umožňuje, aby sa časti molekuly preniesli z vodivého stavu do nevodivého stavu a naopak jednoduchou zmenou použitého napätia. Formálne a skutočne získaná (chemik, samozrejme, uprednostňuje výraz „syntetizovaný“) molekulárna trióda. V skutočnosti to možno považovať za prvú fázu vytvárania molekulárnej elektroniky.
Záver
Hoci teoretické základy molekulárnej elektroniky sú už celkom dobre rozvinuté a boli vytvorené prototypy takmer všetkých prvkov logických obvodov, na ceste k skutočnému skonštruovaniu molekulárneho počítača vznikajú značné ťažkosti. Zdanlivo samozrejmá možnosť využitia jednotlivých molekúl ako logických prvkov elektronických zariadení sa ukazuje ako veľmi problematická vzhľadom na špecifické vlastnosti molekulárnych systémov a požiadavky na logické prvky.
V prvom rade musí mať logický prvok vysokú spoľahlivosť prevádzky, keď je aplikovaná riadiaca akcia. Ak uvažujeme optické spojenie medzi prvkami, tak v systéme jedna molekula - jeden fotón bude spoľahlivosť prepínania nízka vzhľadom na relatívne nízku pravdepodobnosť prechodu molekuly do excitovaného stavu. Možno sa pokúsiť prekonať tento problém použitím veľkého množstva kvánt súčasne. To je však v rozpore s ďalšou dôležitou požiadavkou: účinnosť konverzie signálu jednotlivým prvkom musí byť blízka jednote, to znamená, že priemerný reakčný výkon musí byť úmerný priemernému výkonu nárazu. V opačnom prípade, keď sa prvky skombinujú do reťazca, pravdepodobnosť ich fungovania sa zníži, keď sa budú pohybovať od začiatku reťazca. Prvok sa navyše musí jednoznačne prepnúť do požadovaného stavu a zotrvať v ňom dostatočne dlho – do ďalšieho nárazu. Pre relatívne jednoduché molekuly táto požiadavka spravidla nie je splnená: ak je možné kontrolovať prechod do excitovaného stavu, potom môže spätný prechod nastať spontánne.
Nie je to však všetko zlé. Použitie veľkých organických molekúl alebo ich komplexov v zásade umožňuje obísť tieto ťažkosti. Napríklad v niektorých proteínoch je účinnosť elektrónovo-optickej konverzie blízka jednotke. Navyše u veľkých bioorganických molekúl dosahuje životnosť excitovaného stavu desiatky sekúnd.
Ale aj keď jediný molekulárny výpočtový prvok nemá spoľahlivosť svojich kremíkových predchodcov, efektívnu prevádzku budúceho počítača možno dosiahnuť kombináciou princípov moletroniky a paralelných výpočtov používaných v superpočítačoch. Na to je potrebné, aby paralelne fungovalo niekoľko rovnakých prvkov molekulárnej logiky. Potom nesprávna činnosť jedného z nich nepovedie k výraznému zlyhaniu vo výpočtoch. Moderný superpočítač, fungujúci na princípe masívneho paralelizmu a disponujúci mnohými stovkami procesorov, dokáže udržať vysoký výkon aj v prípade, že 75 % z nich zlyhá. Takmer všetky živé systémy využívajú princíp paralelizmu. Nedokonalosť organizmov na úrovni jednotlivých buniek či génov im teda nebráni v efektívnom fungovaní.
Dnes už vo svete existuje viac ako tucet vedeckých a technologických centier, ktoré sa zaoberajú vývojom zariadení molekulárnej elektroniky. Na výročných konferenciách sa stretávajú stovky odborníkov v tejto oblasti.
Veľký záujem o moletronicu je spôsobený nielen perspektívou stavby počítača, ale aj širokými možnosťami rozvoja nových technológií. Vďaka vysokej citlivosti molekulárnych elektronických zariadení na svetlo ich možno použiť na vytváranie účinných konvertorov slnečnej energie, simuláciu procesu fotosyntézy a vývoj novej triedy prijímačov obrazu, ktorých princíp fungovania bude pripomínať prácu človeka. oko. Molekulárne zariadenia môžu byť tiež použité ako selektívne senzory, ktoré reagujú len na určitý typ molekúl. Takéto senzory sú potrebné v ekológii, priemysle a medicíne. Senzor vyrobený z organických molekúl je oveľa jednoduchšie implantovať do ľudského tela, aby bolo možné sledovať jeho stav.
Riešenie problémov, ktorým čelí molekulárna elektronika, si vyžaduje úsilie širokého spektra vedcov pracujúcich v oblasti akademických poznatkov od koloidnej chémie a biológie po teoretickú fyziku, ako aj v oblasti špičkových technológií. Okrem toho sú potrebné značné finančné investície.
Pre prácu v tejto komplexnej oblasti, ktorá leží na priesečníku vied, je potrebné zaškoliť aj nový vysokokvalifikovaný personál. Zdá sa však, že o 10 až 15 rokov bude hrať významnú úlohu vo vede a technike.
Zoznam použitých materiálov
Na základe materiálov zo siete Internet , články:
1. Goncharová E., bakalárka biotechnológie;
2. Zaitsev V., Shishlova A., Fakulta fyziky Moskovskej štátnej univerzity. M. V. Lomonosová;
3. Krieger Yu., doktor fyziky. n.
Obsah
Úvod 3
1. Štruktúra elektricky vodivých polymérov 3
2. Vlastnosti polymérov 5
2.1 Elektrické vlastnosti 6
2.2 Elektrická vodivosť 7
2.3 Vlastnosti niektorých materiálov 8
2.3.1 Polyacetylén 8
2.3.2 Vlastnosť polypyrolu 9
2.3.3 Vlastnosti polyanilínu 10
3. Štruktúry rôznych vodivých organických polymérov 11
3.1 Spôsoby získania 11
4. Aplikácia polymérnych materiálov 12
4.1 Aplikácia dopovaných polymérov 14
4.2 Špecifické aplikácie v rôznych odvetviach 15
Záver 17
Referencie 18
Úvod
Elektricky vodivé polyméry sú organické polyméry, ktoré môžu byť buď polovodiče alebo vodiče (ako kovy). Vodivé polyméry spájajú pružnosť a pevnosť plastov s elektricky vodivými vlastnosťami kovov a ponúkajú obrovský potenciál pre praktické aplikácie. Hlavnou výhodou elektricky vodivých polymérov je ich vyrobiteľnosť, pretože sú to plasty, a preto môžu kombinovať mechanické vlastnosti, ako je pružnosť, pevnosť, tvárnosť, elasticita atď., s vysokou elektrickou vodivosťou. Ich vlastnosti je možné jemne doladiť pomocou špeciálnych metód organickej syntézy.
1. Štruktúra elektricky vodivých polymérov
V tradičných polyméroch, ako je polyetylén, sú valenčné elektróny spojené kovalentnou väzbou, ako je hybridizácia sp3. Takéto "sigma-viazané elektróny" majú nízku pohyblivosť a neprispievajú k elektrickej vodivosti materiálu. Úplne iná situácia je v konjugovaných materiáloch. Vodivé polyméry majú súvislý reťazec sp2-hybridizovaných uhlíkových buniek.Ryža. 1. Sp a sp2 hybridizácia
Jeden valenčný elektrón každej bunky je v orbitálnej pz ortogonálnej k ostatným sigma väzbám. Elektróny v týchto orbitáloch sú vysoko mobilné, keď je materiál „dopovaný“ (pri výrobe polovodičových zariadení sa doping týka vnášania malých množstiev nečistôt alebo štrukturálnych defektov na zmenu elektrických vlastností polovodiča, najmä jeho typu vodivosti) prostredníctvom oxidácie. , čím sa odstránia niektoré z týchto delokalizovaných elektrónov. P-orbitály teda tvoria zónu, v ktorej sa elektróny stávajú mobilnými, keď je čiastočne prázdna. V princípe môžu byť tie isté materiály dopované redukciou, ktorá pridáva elektróny do ešte nevyplnených pásov, ale v praxi je väčšina organických vodičov dotovaná oxidáciou za vzniku materiálov typu p. Redoxné dopovanie organických vodičov je podobné ako dopovanie kremíkových polovodičov, pri ktorom je malý počet atómov kremíka nahradený atómami s veľkým počtom elektrónov (napríklad fosfor) alebo naopak s malým počtom elektrónov (napr. , bór) na vytvorenie polovodičov typu n alebo typu p.
Ryža. 2. Polymér s kovovými nanočasticami pod elektrónovým mikroskopom.
Najvýraznejším rozdielom medzi vodivými polymérmi a anorganickými polovodičmi je mobilita nosiča, ktorá bola až donedávna výrazne nižšia pre vodivé polyméry ako pre ich anorganické náprotivky. Tento rozdiel sa zmenšuje s vynálezom nových polymérov a vývojom nových technológií spracovania. Nízka mobilita náboja je spojená so štrukturálnymi poruchami. Rovnako ako v anorganických amorfných polovodičoch je vodivosť v takýchto relatívne neusporiadaných materiáloch spôsobená najmä skokmi fonónov, tunelovaním polarónov (elektrón a sprievodné polarizačné pole) atď. medzi pevnými stavmi.
Polyméry vo svojom nedopovanom pôvodnom stave sú polovodiče alebo izolátory s energetickou medzerou > 2 eV, čo je veľká prekážka pre vznik tepelného vedenia. V dôsledku toho majú nedopované polyméry, ako je polypyrol a polyacetylén, nízku elektrickú vodivosť, rádovo 10 × 10 až 10 × 8 S/cm a dokonca aj pri veľmi nízkych úrovniach dopovania (< 1 %) электропроводность может возрастать
до 10 ?1 См/см. Последующее легирование приводит
к насыщению проводимости при значениях
около 100-10 5 См/см в зависимости
от полимера. Самые высокие значения проводимости,
известные в настоящее время, получены
для эластичного полиацетилена с достоверным
значением около 8*10 4 См/см. Хотя пи-электроны
в полиацетилене делокализованы вдоль
цепи, истинный полиацетилен не является
металлом. Полиацетилен имеет переменные
одинарные и двойные связи размером 1,45
A и более 1,35 A соответственно. После легирования
переменные связи уменьшаются, а проводимость
увеличивается.
Nedopované zvýšenie vodivosti sa dosiahne v tranzistore s efektom poľa (organické tranzistory s efektom poľa) alebo ožiarením.
2. Vlastnosti polymérov
Vodivé polyméry rýchlo nachádzajú nové aplikácie ako vysoko spracovateľné materiály s lepšími elektrickými a fyzikálnymi vlastnosťami pri nižších nákladoch.Porovnanie vodivých vlastností kovov a vodivých polymérov
Najvýraznejšími predstaviteľmi sú meď a polystyrén.
Najvýznamnejší vplyv vo vývoji nanotechnológií majú vodivé polyméry, najmä materiály ako grafén (vodivý) - filmový materiál hrubý jeden atóm, za výrobu ktorého veľmi jednoduchým spôsobom získali A. K. Geim a K. S. Novoselov Nobelovu cenu, a grafán (izolátor), získaný pridaním atómu vodíka.
Ryža. 3 grafénová sieťka
2.1 Elektrické vlastnosti
Elektrické vlastnosti sú chápané ako súbor parametrov, ktoré charakterizujú správanie polymérnych materiálov v elektromagnetickom poli. V praktických aplikáciách sa najčastejšie používajú tieto parametre: dielektrická konštanta, dielektrické straty, elektrická vodivosť a elektrická pevnosť, ako aj sledovací odpor (odolnosť proti elektrickému zničeniu).
2.2 Elektrická vodivosť
Prevažná väčšina plastov má zvyčajne veľmi vysoké elektrické odpory a sú teda dielektrikami. Všetky plasty však vykazujú v menšej či väčšej miere elektrickú vodivosť, ktorá je popísaná tromi mechanizmami – elektronickým, iónovým a bipolárnym. Elektrická vodivosť dielektrika je vo väčšine prípadov iónovej povahy.
Kvantitatívne je elektrická vodivosť charakterizovaná mernou objemovou vodivosťou kocky s rozmermi 1x1x1 m, pričom kockou medzi dvoma protiľahlými stenami prechádza jednosmerný prúd.
Na aplikované účely je elektrická vodivosť alebo elektrická vodivosť polymérnych materiálov charakterizovaná hodnotou inverznou k vodivosti vo fyzikálnom zmysle, konkrétne špecifickým objemovým elektrickým odporom rv. Používa sa aj hodnota r s - špecifický povrchový elektrický odpor.
Špecifický objemový elektrický odpor je odpor medzi elektródami aplikovanými na protiľahlé strany jednotkovej kocky s veľkosťou strany 1 m - vyjadrený v Ohm?m. Hodnota rv pre plasty sa mení vo veľmi širokom rozsahu od 10 -3 do 10 18 Ohm?m.
Špecifický povrchový elektrický odpor – odpor medzi protiľahlými stranami jednotkového štvorca so stranou 1 m na povrchu vzorky polyméru – sa vyjadruje v ohmoch. Hodnoty r s do značnej miery závisia od testovacích podmienok. Pri 20°C a relatívnej vlhkosti vzduchu 60% sa hodnoty r s pre polyméry pohybujú od 10-1 do 1016 Ohm.
V suchej atmosfére a bez znečistenia môže hodnota r s výrazne prekročiť r v.
Na základe špecifického objemového elektrického odporu sú všetky pevné látky rozdelené do troch skupín, rv,:
- dielektrika (izolátory) >10 8 Ohm?m;
polovodiče 10 2 -10 8 Ohm?m;
vodiče:
vysoko vodivé 10 -6 -10 -2 Ohm?m.
Ak vezmeme do úvahy mierku znázornenú na obr. 4, medzi polymérnymi materiálmi možno nájsť nielen tradičné izolanty, ale aj vodivé materiály, v ktorých sa vodivosť dosahuje použitím vysoko vodivých plnív (striebro, dezoxidovaná meď, nikel). Merania objemovej a povrchovej rezistivity sa vykonávajú meraním prúdov prechádzajúcich vzorkou (r v) alebo pozdĺž povrchu vzorky (r s), keď je na ňu aplikované elektrické pole s konštantným napätím.
2.3 Vlastnosti niektorých materiálov
2.3.1 Vlastnosti polyacetylénu
Polyacetylén - produkt polymerizácie acetylénu - H2C2 je chemicky aktívny polymér so všeobecným vzorcom (CH)X, ľahko modifikovateľný ("zosieťuje" štruktúru). Pravda, čistý polyacetylén je krehký, nestabilný materiál nevhodný na technologické spracovanie. Jednoduchšie je narábať s kopolymérmi acetylénu a iných monomérov alebo nanášať polyacetylén na povrch odolnejších materiálov.
Napríklad sa získa viacvrstvový film z polyacetylénu na povrchu polyetylénu alebo kopolyméru etylénu s butadiénom (C2H4 a C4H6), na ktorý je nanesený katalyzátor polymerizácie acetylénu. Na udelenie kovovej vodivosti polyacetylénu sa film ošetrí plynným jódom, čo vedie k tvorbe komplexov:
2(CH)X+3Y(I2) = 2[(CH)XY+(I3-)Y].
Množstvo zavádzaného jódu slúži ako nástroj na kontrolu vlastností polyméru: pri koncentrácii jódu v produkte okolo 1% sa materiál stáva polovodičom pri približne 10%, objavujú sa kovové vlastnosti: vysoká elektrická vodivosť, paramagnetické; náchylnosť. Tieto vlastnosti sú výsledkom reštrukturalizácie elektronickej štruktúry makromolekúl. "Organický kov" z polyacetylénového filmu sa používa na vytváranie vodivých vrstiev v elektronike a elektrotechnike
2.3.2 Vlastnosti polypyrolu
Polypyroly sú ďalšou skupinou vodivých polymérov. Polypyrolové filmy sú svojimi metódami syntézy a základnými elektrochemickými vlastnosťami podobné polytiofénom. Majú pomerne vysokú vodivosť (až 10 -5 Ohm -1 cm -1), vysokú stabilitu vlastností a možno ich ľahko syntetizovať chemickou alebo elektrochemickou oxidáciou východiskových pyrolových monomérov z vodných a nevodných roztokov elektrolytov. Napríklad polypyrolový film na platinovej elektróde možno získať oxidáciou východiskového monoméru, pyrolu, v kyslých vodných roztokoch. Podobne sa oxidácia môže uskutočniť pôsobením vhodného chemického oxidačného činidla, najmä chloridu železitého. V tomto prípade sa v roztoku vytvorí modro-čierna zrazenina, ktorú potom môžu lisovaním spracovať na film a na zlepšenie mechanických vlastností využívajú tvorbu kompozitov na báze zmesi s inými nevodivými polymérmi. Elektrochemická polymerizácia má výhody, pretože podmienky oxidačného procesu je možné riadiť zvoleným potenciálom a pri efektívnej (takmer 100 %) prúdovej účinnosti je možné nanášať filmy danej hrúbky.
Najpoužívanejšie metódy syntézy polypyrolu z acetoitrilových roztokov s prídavkom 1-2% vody, čo zlepšuje priľnavosť filmu k podkladu a jeho homogenitu. Fyzikálno-chemické vlastnosti výsledných polymérnych filmov závisia od hrúbky. Najlepšia priľnavosť polypyrolového filmu k substrátu sa pozoruje pri hrúbke menšej ako 1 mikrón. Ak je hrúbka filmu väčšia ako 10 µm, dá sa relatívne ľahko oddeliť od substrátu. Na zlepšenie mechanických vlastností polypyrolového filmu sa často formuje s ďalšími nevodivými polymérmi.
Oxidovaná forma polypyrolu obsahuje fragmenty polymérneho reťazca 3-4 jednotiek - pyrolové kruhy, na ktorých je delokalizovaný jeden kladný náboj, kompenzovaný časticou opačného znamienka - aniónom A*.
Proces v polypyrolovom filme možno znázorniť rovnicou
-[-(C4H3N)4-GA" + e =-[-(C4H3N)4-] + A"
Cyklický voltamogram, na ktorom sú pozorované katódové a anodické píky zodpovedajúce opísanému procesu
2.3.3 Vlastnosti polyanilínu
Monomérnou formou anilínu je aminobenzén C 6 H 5 NH 2, ktorý ľahko polymerizuje pri chemickej alebo elektrochemickej oxidácii.
Štruktúra polyanilínu pozostáva z reťazcov obsahujúcich 1000 alebo viac monomolekulových jednotiek, ktoré možno vo všeobecnosti znázorniť takto:
Kde index x označuje počet polymérnych jednotiek obsahujúcich y redukovaných polymérnych fragmentov a (1-y) oxidovaných polymérnych fragmentov. Spolu s lineárnymi reťazcami sa počas syntézy polymérov môžu vytvárať rozvetvené štruktúry obsahujúce väzby medzi reťazcami.
Zistilo sa, že jediný kladný náboj vznikajúci počas oxidácie polyméru je delokalizovaný na 4 jednotkách typu -[-C5H4-N(H)-C6H4-N(H)-].
Pod všeobecným názvom polyanilín existuje päť hlavných možných stavov polyméru, ktoré závisia od pomeru počtu oxidovaných =(C6H4)=K- a redukovaných -(C6H4)-N(H)- jednotiek v polymérnom reťazci. .
Uvažované formy polyanilínu sú slabo vodivé formy, ktoré sa môžu premeniť na viac vodivé formy ich premenou na formy solí. V tomto prípade vznikajú najvodivejšie stavy polyméru, ktoré v tomto prípade existujú vo forme soli. Najvyššiu vodivosť má smaragdínová soľ, v ktorej je polovica štruktúrnych fragmentov oxidovaná a obsahuje 25 % chinónových kruhov
3. Bežne používané elektricky vodivé polyméry
Polyfenylénvinylén, polyacetylén, polytiofén (X = S) a polypyrol (X = NH), polyanilín (X = N, NH) a polyfenylénsulfid (X = S).Dobre preštudované triedy organických vodivých polymérov zahŕňajú: polyacetylén, polypyrol, polytiofén, polyanilín, poly-p-fenylénsulfid a poly-para-fenylén-vinylén (PPV). PPV a jeho rozpustné deriváty sa objavili ako prototyp elektroluminiscenčných polovodičových polymérov. Dnes je poly-3-alkytiofén materiálom pre solárne články a tranzistory. Medzi ďalšie menej dobre študované vodivé polyméry patria: polyindol, polypyrén, polykarbazol, polyazulén, polyazerín, polyfluorén a polynaftalén.
3.1 Spôsoby získavania
Syntéza elektricky vodivých polymérov
Bolo vyvinutých mnoho metód na syntézu polymérov. Väčšina vodivých polymérov sa vyrába oxidáciou väzby monocyklického prekurzora.
Jedným problémom je všeobecne nízka rozpustnosť polymérov. V niektorých prípadoch však molekulová hmotnosť nemusí byť vysoká, aby sa dosiahli požadované vlastnosti.
Najlepšou (ale nie jedinou) možnosťou je získať polyanilín oxidačnou polymerizáciou alíniových solí.
Bola vyvinutá jednoduchá a elegantná metóda na výrobu tenkých vrstiev vodivých polymérov, ktoré môžu zlepšiť vlastnosti solárnych panelov, LED diód a senzorov. Metóda je založená na nemiešateľnosti vody a oleja a na povrchovom napätí, ktoré vzniká na rozhraní medzi týmito fázami.
Existuje aj technológia, ktorá využíva techniku „vrúbľovania“ na vytvorenie silných adhéznych väzieb medzi povrchmi spájaných materiálov.
Ryža. 5. Polymérne prvky získané vytváraním adhezívnych väzieb
Elektricky vodivé polyméry sú novou triedou polymérov, ktoré sa objavili relatívne nedávno. V posledných rokoch sa tento smer v chémii polymérov rýchlo rozvíja. Použitie polymérnych materiálov ako nosičov elektricky vodivých plnív je známe už dlho. Tradičné elektricky vodivé polymérne materiály sú kompozície na báze rôznych polymérov (termo- a termosetové plasty) a elektricky vodivých plnív (sadze, grafit, uhlík, kovové a metalizované vlákna, kovový prášok) a používajú sa v antistatických výrobkoch, elektromagnetických ochranných náteroch, v. -odporové odpory, elektrické nekovové ohrievače a vodivé laky. V súčasnosti sa však objavili nové materiály, v ktorých majú elektrickú vodivosť samotné makromolekuly alebo určitým spôsobom konštruované supramolekulové útvary, takzvané „supramolekulové“ asociácie, ktoré vo svojej štruktúre zahŕňajú organické makromolekuly aj anorganické ióny.
Za rozvoj tohto smeru vo vede sa v poslednom čase opakovane udeľujú Nobelove ceny. Napríklad v roku 1996 získali cenu Angličan G. Croto a Američania R. Karl a R. Smellie za objav fullerénov. V roku 1999 bola cena udelená De Gennesovi za teóriu tekutých molekulárnych kryštálov, v roku 2000 bola cena udelená Američanovi Allanovi Heegerovi a chemikom A. McDiarmidovi (USA) a H. Shirakawovi (Japonsko) za vývoj elektricky; vodivé polyméry. A nakoniec, v roku 2003, Ginzburg (Rusko) za rozvoj teórie vodivosti v polyméroch.
Možno si predstaviť tri hlavné možnosti prenosu elektrónov v makromolekulárnej látke: 1 - transport elektrónov realizovaný redoxnými molekulami, ktoré hrajú úlohu mobilných nosičov; prepravu môže, ale nemusí sprevádzať prenos elektrónu z jedného nosiča na druhý, keď sa stretnú; 2 - „skokový“ prenos elektrónov medzi redoxnými skupinami spojenými s hlavnou molekulárnou štruktúrou alebo zostavenými do supramolekulárneho asociácie v dôsledku nekovalentných interakcií; 3 - elektrónová vodivosť pozdĺž systému konjugovaných t-väzieb, ktoré môžu zahŕňať ďalšie skupiny schopné prenášať elektrón, napríklad napnuté cyklické štruktúry, heteroatómy, ktoré majú voľné elektróny, ktoré sa nezúčastňujú na tvorbe väzieb. Na procese prenosu elektrónov sa môžu podieľať organické aj anorganické zložky.
V ideálnom prípade sú pre polyméry so systémom konjugovaných dvojitých väzieb možné dva typy látok s konjugovanými väzbami: s polovyplnenou zónou (kovový model) a s úplne vyplnenou zónou (polovodičový model). Vo všetkých prípadoch by predĺženie konjugačných miest realizovaných v polyméroch malo viesť k zvýšeniu vodivosti, pretože je sprevádzané znížením zakázanej látky a znížením počtu intermolekulárnych bariér, ktoré musia prúdové nosiče prekonať počas ich riadeného pohybu. vplyvom vonkajšieho elektrického poľa. Mechanizmus vedenia polymérov musí zahŕňať nasledujúce prvky: vznik nosičov voľného prúdu, pohyb týchto nosičov v oblasti polykonjugácie a prechod nosičov z jedného miesta konjugácie do druhého. Predpokladá sa, že polymér je elektronicky nehomogénny systém, v ktorom sú polykonjugačné oblasti charakterizované kovovou vodivosťou oddelené dielektrickými oblasťami. Prenos nosičov cez dielektrické vrstvy je aktivačnou bariérou. Polovodičové vlastnosti polyméru by mali závisieť od celkovej dĺžky systému konjugovaných väzieb, koplanarity štruktúry hlavného reťazca, povahy bočných skupín, prítomnosti heteroatómov v konjugovanom reťazci, ktoré majú elektróny vo vonkajšom reťazci. orbitu, ktoré sa nepodieľajú na tvorbe chemickej väzby a pod.
Polyméry s konjugovanými väzbami majú polovodičové vlastnosti a môžu byť vstrekované elektrónmi z kovovej elektródy, ktorá je k nim pripojená. Elektrická vodivosť takýchto polymérov je citlivá na svetlo, a preto sa na ich základe dajú vytvárať rôzne svetlocitlivé zariadenia, ako sú polymérové svetlovody. Na základe takýchto polymérov už boli vytvorené svetlovody, polovodičové tranzistory a teristory. Na základe takýchto polymérov je pravdepodobné, že v blízkej budúcnosti vzniknú skutočné ploché televízne obrazovky, dopravné značky, ploché displeje počítačových monitorov a vnútorné steny zdravotníckych zariadení žiariace bielym svetlom.
Elektrónová štruktúra molekúl polymérov s konjugovanými väzbami v neexcitovanom stave je v rovnováhe a ich elektrická vodivosť je spravidla nízka (asi ~ 10"10 ohm cm~1). Aby sa takéto polyméry zmenili na elektrovodivé, sú modifikované chemicky alebo elektrochemicky - „doping“ - Ide o proces udelenia vlastností elektrickej vodivosti polymérom V závislosti od dopingovej zložky sa rozlišuje p-doping, keď dopingový prvok priťahuje elektróny, a n-doping, kedy dopingový prvok dáva. Technika dopovania je jednoduchá, ale má svoje špecifiká, pretože je žiaduce dosiahnuť čo možno najrovnomernejšiu distribúciu „dopantu“ (látky, ktorou je polymér dopovaný).
Tenké filmy z polyacetylénu, napríklad nanesené ako povlaky na polymérny substrát (polyetylén, sklo atď.), sa získajú ponorením nosiča do roztoku katalyzátora, ktorým môže byť NaBH4xCo(NO3)2 pri teplote -80 °C, a potom pri -30 °C sa upravený substrát zavedie do acetylénovej atmosféry. V tomto prípade dôjde k polymerizácii acetylénu sorbovaného na substráte v priebehu niekoľkých sekúnd. Po odstránení katalyzátora sa výsledný polyacetylénový film ošetrí dopantom (napríklad jódové pary: vodivosť viac ako 200 ohm^cm"1). Výsledný film vzhľadom pripomína hliníkovú fóliu a elasticitou zodpovedá podkladu (polyetylén Takýmto polovodičom je polovodič typu p (pohyb (+) nábojov - „dier“ sa po zavedení dopantu do polyméru zvýši biliónkrát, čo zaisťuje zvýšenie vodivosti fluoridu arzénu, chlóru a brómu). vodivosť typu p Zavedenie K, Na, AsF5 (viac ako 1 %) sa dramaticky mení z diery na kov, ktorej hodnota závisí od množstva dopantu z dopovaného polyacetylénu energie na elektrickú energiu s účinnosťou blízkou účinnosti kremíkových solárnych článkov (po tepelnom katalytickom starnutí je vodivosť 105 ohm^.cm"1).
Na rozdiel od acetylénu pyrol (odvodený z uhoľného dechtu) oveľa ľahšie polymerizuje elektrochemickými prostriedkami. Polypyrol vytvára film na jednej z elektród článku, keď cez jeho roztok prechádza elektrický prúd. Dopovanie polypyrolu sa tiež uskutočňuje pomocou elektrochemickej metódy. Jeho vlastnosti sa stabilizujú nanesením na PVC poréznu membránu. Použitie membrány zabezpečuje voľný tok iónov. Týmto spôsobom sa získajú polypyrolové elektródy, ktoré je možné použiť v batériách. Doštičky je možné vyrábať aj lisovaním polypyrolového prášku získaného polymerizáciou v roztoku (metanol, oxidačné činidlo FeCl3 + FeCl2, oxidačný potenciál 500 mV, pyrol/FeCl3 - 233, 0-20°, 20 min.). Elektrická vodivosť výsledného polyméru je 190-220 ohm"1, cm"1. Polypyrolové filmy sa pripravujú nanášaním z vodného roztoku PeCl3 na polyetyléntereftalátový substrát potiahnutý polymetylmetakrylátom. Boli opísané aj iné dopingové metódy.
V dôsledku chemickej interakcie s donormi elektrónov alebo akceptormi elektrónov môže vodivosť vyššie uvedených polymérov s konjugovanými dvojitými väzbami dosiahnuť vodivosť ortuti. Elektrická vodivosť elektricky vodivých polymérov je spojená s pohyblivosťou elektrónov v molekulách polymérov, pri ktorých sa oblak CS-elektrónov, tvorený systémom konjugovaných väzieb pri dopingu, dostáva do excitovaného stavu. Tento stav poskytuje elektrickú vodivosť blízku kovu.
Konjugované polyolefínové reťazce, nesúce na jednom konci skupinu priťahujúcu elektróny a na druhom skupinu poskytujúcu elektróny, sú polarizované molekulárne drôty, ktoré musia vykazovať preferenčné vlastnosti prenosu elektrónov, majúce "dieru" alebo "elektrónovú" vodivosť, t.j. mali by fungovať ako usmerňovače. Bolo popísaných niekoľko takýchto zariadení. Autori práce naznačujú, že ďalší vývoj práce na „dizajne“ molekulárnych drôtov môže nastať v nasledujúcich smeroch: 1 - nahradenie konjugovaného polyolefínového fragmentu štruktúrami ako sú kondenzované oligotiofény, oligopyroly, aromatické skupiny alebo kovové koordinačné centrá; 2 - variácia koncových skupín aktívnych v redoxných procesoch, ktoré zároveň môžu hrať aj úlohu „kotvy“ pripájajúcej molekulu vodiča k substrátu; 3 - organizácia fragmentov, ktoré zohrávajú úlohu molekulárnych drôtov vytvorených prostredníctvom asociácie a samozostavenia na základe rozpoznávacích procesov.
Prvé generácie polymérov s vysoko vyvinutým systémom konjugovaných väzieb, ktoré sa objavili v osemdesiatych rokoch minulého storočia, sa vyznačovali obmedzenou rozpustnosťou, boli netaviteľné a ťažko stlačiteľné. Odvtedy výskumníci vyvinuli vnútorne vodivé polyméry (ICP), ktoré možno spracovať na prášky, filmy a vlákna pomocou rôznych metód s použitím rozpúšťadiel a katalyzátorov. Nová generácia PVP je ľahšie spracovateľná. Sú stabilné na vzduchu a môžu sa dokonca miešať s inými polymérmi, aby sa získali zlúčeniny s požadovanou elektrickou vodivosťou.
Ako elektricky vodivé a polovodivé materiály sú v literatúre opísané aj komplexy polymérov s kovmi, najmä s prechodnými valenčnými kovmi, v ktorých sú receptormi polymérne organické štruktúry so systémom konjugovaných väzieb a substrátmi sú prechodné valenčné kovy.
Existuje niekoľko spôsobov väzby substrátu na receptor v závislosti od priestorovej štruktúry molekuly receptora. Ak k väzbe substrátu a receptora dochádza cez dutinu prítomnú v priestorovej štruktúre molekuly receptora, potom sa takéto súbory často nazývajú inklúzne komplexy alebo kryptáty. Zmenou povahy a počtu fragmentov a spojovacích mostíkov zapojených do väzby je možné získať rôzne makropolycyklické štruktúry, ktoré po naviazaní s kovovými iónmi poskytujú dvojjadrové kryptáty rôznych typov. Mnoho ligandov bolo syntetizovaných za vzniku dvojjadrových komplexov. Na tento účel sa použili rôzne reakcie ako amín + karbonyl = imín. Tieto ligandy tvoria dvojjadrové komplexy kovov, ako aj kaskádové komplexy s premosťovacími skupinami.
Bolo popísaných veľké množstvo štruktúr tvorených zhlukami polyjadrových kovov, ktoré sa vyznačujú rôznymi geometrickými parametrami. Niektoré z týchto zhlukov môžu slúžiť ako prototypy „supramolekulárnych“ kovov a majú kovovú elektrickú vodivosť. Získali sa obrovské zhluky obsahujúce 70 až 146 atómov medi alebo 309 až 561 atómov paládia s kovovými vlastnosťami. Sľubné sú aj zlúčeniny chelátov kovov.
Ako elektricky vodivé polyméry sa používajú aj rôzne deriváty fullerénov.
Vodivé polyméry sa používajú predovšetkým ako antikorózne nátery na ochranu veľkých kovových konštrukcií, ako sú mosty. Dopované polyméry sa v súčasnosti používajú ako rôzne antistatické prísady, najmä antistatická vrstva polyanilínu chráni počítačové disky vyrábané spoločnosťou Hitachi. Takéto polyméry sú zaujímavé pre antiradarové povlaky, pri vytváraní svetlovodov, v membránových technológiách na oddeľovanie polárnych kvapalín a plynov, pre citlivé plyny a senzory, pri litografických procesoch a fotografovaní. Proces dopingu a dedopingu polymérov môže byť riadený externým napätím, ktoré sa používa na vytváranie ľahkých batérií.
Sľubným smerom využitia elektricky vodivých polymérov, ktoré sa ľahko formujú a spracovávajú, je miniaturizácia v mikroelektronike s použitím komponentov požadovanej konfigurácie s rozmermi na molekulárnej úrovni v elektronických obvodoch v pevnej fáze. Je pravdepodobné, že elektricky vodivé polyméry budú použité v kondenzátoroch, počítačových pamäťových prvkoch a fotokonvertoroch. V poslednom čase sa najmä na internete objavilo množstvo publikácií o iných oblastiach použitia elektricky vodivých polymérov. Niektoré z nich údajne menia farbu, keď sú vystavené elektrickému napätiu alebo chemickým vplyvom, čo sa používa pri vytváraní elektronických optických spínačov a pamäťových zariadení. Elektricky vodivé polyméry sú perspektívne na vytváranie medziprvkových spojení s rozmermi molekulárnej podúrovne (1 nm), na výrobu vysokonapäťových káblov dopovaných tak, že stredná časť je vodivá časť a vonkajšia časť je izolant, v rôznych zariadeniach elektrických a elektronických zariadení a výrobe elektrických nástrojov.
Pokrok výpočtovej techniky je spojený s kombináciou elektronických a optických metód spracovania informácií. Fotoelektronické počítače pracujú tisíckrát rýchlejšie s vysokou hustotou záznamu informácií. Holografickú vonkajšiu pamäť založenú na fotorefrakčnom efekte (zmena fyzikálnych vlastností vplyvom svetla) zabezpečuje napríklad fotoreaktívny poly-1CG-vinylkarbazol.
Výskumníci spoločnosti Kodak získali trojvrstvový polymérový film, ktorý zdvojnásobuje frekvenciu žiarenia prichádzajúceho z polovodičového lasera – prenáša svetlo z blízkej infračervenej oblasti do viditeľnej modrej, čo umožňuje hustejšie zaznamenávanie informácií na kompaktný disk. Zmenou zloženia bočných skupín polyacetylénu sa získal polydiacetylén, ktorý je ľahšie rozpustný. Jednoduchšie je vytvárať filmy, ktoré sú fotorefrakčnými polovodičmi z tekutých kryštálov. Pomocou vodivých polymérov boli vyvinuté tranzistory s hradlom a elektronickými spínačmi (elektrický prúd medzi vstupom a výstupom je riadený špeciálnou hradlovou elektródou). Prechod na čisto polymérne zariadenia umožní použitie jednoduchých metód sieťotlače na izolačnú vrstvu polyetyléntereftalátovej fólie. V takomto zariadení sa na polyetyléntereftalátový film nanesie pasta, dvojvrstva sa pripevní na pružnú matricovú pásku a na vrchu izolátora sa z rovnakého elektricky vodivého polyméru vyrobia vstupné a výstupné elektródy (organický polovodič - dihexylsesquitiofén, obsahujúci šesť tiofénových blokov). Ťažké olovené, kadmium-niklové, železo-niklové batérie boli v súčasnosti nahradené lítiovými batériami. Použitie elektricky vodivých polymérov na výrobu aktívnych častí zdrojov prúdu umožňuje eliminovať použitie prúdu z neželezných kovov a zníži hmotnosť batérií na polovicu, zabezpečí elektrochemickú reverzibilitu, implementuje vysoký špecifický výkon a energiu. intenzitu a bezodpadovú technológiu ich výroby.
Bolo vyvinutých množstvo zaujímavých vodivých polymérov. Gél na báze kyseliny polykrotónovej v slabo alkalických vodných roztokoch je teda schopný meniť svoj objem vplyvom elektrického prúdu. Britská spoločnosť Geloweiten vyvinula materiál, ktorý dokáže zmeniť svoje vlastnosti z dielektrika na vodič. V Anglicku boli vyvinuté polymérové LED diódy na báze polymérov so striedajúcimi sa fenylénovými a vinylovými skupinami a postrannými skupinami OC6H13 a CN. Keď sa takýto film umiestni medzi elektródy, vyžaruje žltozelené svetlo. Sú sľubné na vytváranie televíznych obrazoviek a displejov.
"Chemický priemysel dnes", č. 5, 2007
Inzeráty na nákup a predaj techniky si môžete pozrieť na
O výhodách polymérových značiek a ich vlastnostiach môžete diskutovať na
Zaregistrujte svoju spoločnosť v podnikovom adresári
