پلیمرهای رسانا

پلیمرهای رسانا به چه موادی گفته می شود و چه خواصی دارد؟

پلیمرهای رسانا و یا انواعی که به طور ذاتی خاصیت رسانایی را دارند نوعی از پلیمرهای ارگانیک هستند که می توانند به خوبی جریان الکتریسیته را از خود عبور دهند. ممکن است این ترکیبات رساناهای فلزی باشند و یا از خواص نیمه رسانا برخوردار باشند .مزیت اصلی پلیمرهای رسانا در قابلیت فراوری آنهاست که به طور ویژه از طریق انتشار و یا گسترش صورت می گیرد. پلیمرهای یاد شده در دسته پلیمرهای ترموپلاستیک قرار نمی گیرند و در نتیجه قابلیت شکل گیری با استفاده از گرما را ندارند اما همانند پلیمرهای عایق نوعی ماده ارگانیک به شمار می آیند و آنها می‌توانند رسانایی الکتریکی خیلی بالایی داشته باشند ولی خواص مکانیکی مشابه با پلیمرهای تجاری را ندارد.با استفاده از متدهایی مانند ترکیب ارگانیک و تکنیک‌های گسترش و پراکندگی پیشرفته می توان خواص الکتریکی این مواد را به گونه متناسب تغییر داد.

تاریخچه
پلی آنیلین اولین بار در اواسط قرن ۱۹ و توسط هنری لتبی معرفی شد که تحقیقاتی در خصوص اکسیداسیون شیمیایی و الکتروشیمیایی آنیلین در محیط اسیدی انجام میداد. وی متوجه شد که نوع اکسیده شده این پلیمر رنگ آبی تیره داشته ولی نوع دیگر بی رنگ می باشد. اولین ترکیباتی که قابلیت رسانایی خیلی بالایی داشتند با نام ترکیبات انتقال‌ دهنده شارژ شناخته می شوند. در دهه پنجاه محققان گزارش کردند که ترکیبات آروماتیک پلی سیکلیک می توانند نمکهای انتقال دهنده  بار را به وجود آورند که خاصیت نیمه رسانا دارند و هالوژن نیز به همراه خود دارند. در سال ۱۹۵۴ نیز محققان گزارش کردند که ترکیبات انتقال دهنده بار میزان مقاومتی برابر با ۸ اهم در سانتیمتر دارند. در اوایل دهه ۷۰ نیز محققان نشان دادند که نمک‌های تترا تیا فولوانل  دارای خواص رسانایی فلزی می باشند و این در حالی است که میزان رسانایی بالای انها در سال ۱۹۸۰ کاملا اثبات شد. هنوز هم تحقیقات فراوانی در خصوص نمک های انتقال  دهنده بار در حال انجام است. این ترکیبات دردسته پلیمرها قرار نمی گیرند ولی به خوبی می توانند جریان را از خود عبور دهند و این در حالی است که رسانه های ارگانیک قبلاً به طور بسیار مورد بحث قرار گرفته اند.
درسال ۱۹۶۳ نیز محققان استرالیایی گزارش کردند که مشتقاتی از پلی پیرول یافته اند که میزان مقاومت برابر با 1 اهم در  سانتی متر دارد. گزارشاتی نیز وجود دارند که نشان می‌دهند پلی استیلین دارای رسانایی خیلی بالایی می باشد ولی استثنای موجود در این دسته همان ترکیبات انتقالی بار می باشند که حتی تعدادی از آنها به عنوان ابر رسانه ها نیز شناخته می شود. مولکول های ارگانیک نیز از قبل به عنوان عایق و یا نیمه رسانا‌هایی شناخته می شدند که رسانایی ضعیفی داشتند. بنا بر گزارش‌های موجود پلی آنیلین نیز دارای رسانایی خیلی بالایی می باشد و در سال ۱۹۸۰ دیاز و لوگان گزارش کردند که فیلم های ساخته شده از این ماده می‌توانند به عنوان الکترود مورد استفاده قرار گیرند. اگرچه فرایند های الکترونیکی مولکولی بیشتر در حوزه کوانتوم و در مقیاس کمتر از ۱۰۰ نانومتر مورد استفاده قرار می گیرند اما امکان به کارگیری آنها در حوزه های بزرگ و وسیع نیز وجود دارد. مثالهای مرتبط با این موضوع عبارتند از تونل سازی کوانتومی، مقاومت منفی و پلارون های فنون محور. در سال ۱۹۷۷ نیز محققان با نام های هیگر،مک دیارمید و شیراکاوا گزارش کردند که پلی آستیلین یدی اکسید شده دارای رسانایی خیلی بالایی می‌باشد و به دلیل  کشف و توسعه پلیمرهای رسانا آنها جایزه نوبل شیمی در سال ۲۰۰۰ را به خود اختصاص دادند. پلی استیلن دارای کاربردهای فراوانی نبود ولی توجه دانشمندان و محققان را به خود جذب کرد و باعث پیشرفت و بهبود این حوزه شد. از اواخر دهه ۸۰ نیز دیودهای منتشر کننده نور  که حالتی ارگانیک دارند به عنوان یکی از مهم‌ترین کاربردهای پلیمرهای رسانا شناخته شده اند.

پلیمرهای رسانا دارای چه انواعی میباشند؟
پلیمرهای سیاه با ساختار اصلی خطی که شامل پلی استیلین، پلی پیرول، پلی ایندول و پلی انیلین میشوند و هم بسپار های آنها گروه اصلی پلیمرهای رسانا را تشکیل می دهند. پلی فنیلن وینیلین و مشتقات آن نیز به عنوان نمونه های اولیه الکترو رخشان در بین پلیمرهای نیمه ‌رسانا شناخته شده‌اند. امروزه  از پلی ۳_ آلکیل تیوپن تیز به عنوان ماده اصلی در سلولهای خورشیدی و ترانزیستورها استفاده می شود.

ترکیب و توسعه پلیمرهای رسانا چگونه صورت می گیرد؟
پلیمرهای رسانا توسط روش های متفاوتی تولید می شوند. بیشترین پلیمرهای رسانا با استفاده از اتصال پیش ماده های تک چرخه ای اکسید شونده ساخته میشوند. انحلال پذیری  پایین بیشتر پلیمر ها می تواند مشکلاتی را به وجود آورد و به همین دلیل تعدادی از محققان از گروه های وظیفه ای حل کننده  برای تمام مونومرها و یا بعضی از آنها  و به منظور افزایش انحلال پذیری استفاده می کنند. این کار را از طریق ایجاد ساختارهای بسیار ریز و گسترش پلیمرهای رسانه های پایدار و فعال درسطح در آب انجام می دهند (فیبر های نانو پلی آنیلین در این دسته قرار می‌گیرند). در اغلب موارد وزن مولکولی پلیمر های رسانا کمتر از پلیمر های سنتی و مرسوم مانند پلی اتیلن است. برای دستیابی به خواص مورد نظر وزن مولکولی تعدادی از این انواع نباید بالا باشد.
دو روش متفاوت برای ترکیب پلیمرهای رسانا وجود دارد مورد اول ترکیب شیمیایی و مورد دوم بسپارش الکتریکی یا الکترو است. در روش اول با قرارگیری مونومر در شرایط متفاوت مانند گرمادهی وفشار دهی و قرارگیری در معرض نور و کاتالیز، پیوند هایی متشکل از دو کربن به وجود می آید. با استفاده از این روش می توان به میزان زیادی از محصول  را تولید کرد ولی ناخالصی‌های موجود در محصول نهایی نیز بسیار زیاد خواهد بود. در بسپارش الکترونیک نیز سه نوع الکترود متفاوت با نام های الکترود مرجع، الکترود شمارنده و الکترود کاری در محلول قرار می گیرند وشامل واکنشگرها و مونومرها نیز می شوند. با اعمال ولتاژ به الکترود ها، واکنش اکسایش کاهش به منظور ترکیب پلیمر بهبود می یابد. مزیت روش یاد شده این است که می تواند محصولی با خلوص بسیار بالا را تولید نماید ولی در هر لحظه فقط این امکان وجود دارد که مقدار کمی از یک محصول ساخته شود.

پلیمرهای رسانا دارای چه خواصی می باشند و برای تولید چه محصولاتی به کار برده می شوند؟
از آنجایی که پلیمرهای رسانا دارای قابلیت فراوری پایینی می باشند نمی توان از آنها به مقدار فراوان در حوزه‌های بزرگ و وسیع استفاده نمود. مواد ضد الکتریسیته یکی از گزینه های مناسب برای پلیمرهای یاد شده می باشند و همچنین از آنها به منظور تولید باتری و نمایشگر ها استفاده شده است. اما به طور کلی محدودیت هایی نیز برای تولید این مواد وجود دارد مانند هزینه های تولید، عدم سازگاری مواد، سمیت و انحلال پذیری پایین در حلال ها و عدم امکان فرآوری این مواد به صورت مستقیم در حالت ذوب.
پلیمرهای رسانا در تولید سلول های خورشیدی ارگانیک، مدارهای پرینت الکترونیکی، دیودهای منتشر کننده نور ارگانیک، الکترو رنگی، واکنشگر ها،  ابر خازن ها و سنسورهای شیمیایی، سنسورهای زیستی و نمایشگرهای شفاف انعطاف پذیر نقش دارند.
پوشش های جذب کننده ریز موج ها به خصوص پوشش هایی که امواج رادار را جذب می‌کنند و بر روی هواپیما به کار برده می شوند هم در همین دسته قرار می‌گیرند. امروز از انواعی از پلیمرهای رسانا که از  قابلیت فراوری بالاتر و خواص فیزیکی و برقی مطلوب تری برخوردارند و همچنین هزینه کمتری دارند، به‌ منظور تولید محصولات مختلف استفاده می‌شود. انواع پلیمرهای رسانا که از ساختار نانو برخوردارند نیز در همین دسته قرار می‌گیرند زیرا مساحت بالاتری داشتند و همچنین به مقدار بهتری پراکنده می شوند.  گزارش های انجام شده نشان می دهند که پلیمرهای رسانا با ساختار نانو که به شکل نانو فیبرها و نانو اسفنج ها موجود می باشند دارای ظرفیت برق پذیری خیلی بیشتری در مقایسه با انواع غیر نانو هستند. پلی انیلین به طور عمده به منظور تولید برد مدار چاپی به کار برده می شود و در نهایت در حفاظت مس در برابر ساییدگی و پیشگیری از لحیم پذیری نقش دارد. پلی ایندول در برابر پلی آنیلین و پلی پیرول دارای واکنش پذیری اکسایش کاهش بالاتر با پایداری گرمایی بهتر بوده و همچنین تنزل کیفیت  در این ماده با سرعت کمتری انجام می گیرد و به همین دلیل هم برای تولید محصولات مختلف به کار برده می شود.

الکترو رخشانی و یا الکترو لومینه سانس
الکترو رخشانی نوعی تابش نوری است که توسط جریان برق به وجود می آید. الکترو رخشانی از اوایل دهه پنجاه در بین ترکیبات ارگانیک شناخته شده بود و این زمانی است که Bernanose و همکارانش اولین بار این خاصیت را در فیلم های نازک بلورین آکریدین نارنجی رنگ و کیناکرین بوجود اوردند. در مواردی با اعمال ولتاژ به لایه نازک از فیلمهای  پلیمرهای رسانای ارگانیکنور به حالتی مشابه انتشار پیدا می‌کند. اگرچه الکترو رخشانی ابتدا فقط در مباحث آکادمیک  مورد توجه قرار می‌گرفت اما امروزه از آنجایی که رسانایی این نوع از پلیمرها افزایش پیدا کرده است، می توان نتیجه گرفت که با اعمال مقداری برق با ولتاژ پایین به دستگاه امکان انتشار نور وجود خواهد داشت. این توسعه در تولید نمایشگرهای پنل های صاف با استفاده از LED ها، پنل های خورشیدی و تقویت کننده های نوری نقش داشته است.

تولیدات اخیر
امروزه دیودهای منتشر کننده نور ارگانیک و سلول های خورشیدی پلیمری ارگانیک به مقدار زیادی مورد توجه قرار گرفته اند. انجمن الکترونیک ارگانیک نوعی مجمع بین المللی است که کاربرد نیمه رسانه های ارگانیک را توسعه می دهد. امروزه محصولات پلیمری رسانا که از واسطه الکترومغناطیسی بهبود یافته و متداخل و همچنین حفاظت در برابر تخلیه الکترواستاتیکی برخوردارند، باعث تولید محصولات نهایی و محصولات نمونه شده اند.