Una forma de visualizar hebras de PCDTPT, los investigadores de materiales plásticos conductores que estudiaron en este trabajo, es como una colección de gusanos de goma. Crédito:Sean Kelley / NIST
¿Has oído hablar de los teléfonos inteligentes plegables? ¿Qué tal la pantalla de televisión flexible que se enrolla en una caja? ¿O los televisores de "papel tapiz" ultradelgados que tienen solo milímetros de grosor?
Un futuro con plegable, flexible La electrónica flexible y ultradelgada se está convirtiendo rápidamente en nuestro presente. Los materiales responsables de estos bienes de consumo suelen ser polímeros (plásticos) que conducen la electricidad. Para comprender mejor esta prometedora clase de sustancias, Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) desarrollaron una técnica que usa la luz para probar de manera rápida y precisa la conductividad de los materiales, y potencialmente revelar un comportamiento que otros métodos no podrían. Ahora, El equipo del NIST ha demostrado la utilidad adicional de este método basado en la luz usándolo para descubrir un comportamiento en un polímero que nadie había visto antes.
Los científicos informan hoy de sus resultados en el Revista de química física C .
El trabajo es la última contribución del NIST a la búsqueda de desarrollar herramientas de medición para estudiar materiales novedosos para su uso en todos los diferentes tipos de transmisión electrónica. desde biosensores flexibles hasta teléfonos móviles y células solares.
"Existe un mercado en crecimiento para pantallas flexibles y teléfonos inteligentes, y mantener las cosas más pequeñas, más flexible y más fácil de producir en masa, "dijo Tim Magnanelli, Químico investigador del NIST y becario postdoctoral del Consejo Nacional de Investigación. "Agilizar el proceso de prueba de conductividad podría ser muy valioso para los investigadores de la industria que solo quieren saber, "¿Vamos en la dirección correcta con una modificación en particular? ¿Mejora esto el material?"
Plásticos que conducen la electricidad
La mayoría de los aparatos de consumo, como los portátiles e incluso los ordenadores de las lavadoras, se basan en tecnología de silicio. El silicio es un material excelente para controlar la conducción de la electricidad debido a la facilidad con la que los "portadores de carga" pueden moverse dentro de un cristal de silicio. Los portadores negativos son electrones; los portadores positivos se denominan "huecos" y son lugares donde falta un electrón.
Aunque los plásticos se han estudiado y se han utilizado ampliamente desde el siglo XIX, Los plásticos conductores apenas están comenzando a usarse para la electrónica comercial convencional. Tienden a ser algo menos eficientes que el silicio en la conducción de electricidad, lo que significa que generalmente hay menos movimiento de los portadores de carga dentro de los materiales. Sin embargo, Los plásticos no solo son flexibles donde el silicio es rígido, también son más ligeros y más personalizables y, a menudo, son más baratos y fáciles de fabricar. Incluso pueden ser transparentes.
Construido como un gusano de goma:cada hebra de PCDTPT está hecha de dos partes que se alternan como los colores de un caramelo de gusano de goma. Una parte (azul) es un donante de electrones, lo que significa que tiende a ceder electrones. La otra parte (verde) es un aceptor de electrones, lo que significa que atrae electrones. Empacar muchas hebras de PCDTPT una junto a la otra en una película delgada permite que los electrones se muevan libremente por el material, conducción de electricidad. Crédito:Sean Kelley / NIST
La forma típica de probar la conductividad de un material es soldar contactos sobre él. Pero mientras que los contactos se adhieren bien al silicio, no siempre es posible establecer una buena conexión con un polímero. Incluso con una buena conexión todavía puede haber defectos en la superficie del material que alteren su conductividad medida. Aplicar contactos a cada muestra también requiere tiempo, alargando el proceso de prueba y potencialmente evitando que los fabricantes utilicen la muestra como un componente del dispositivo.
Para abordar estos problemas, Hace unos años, el químico de investigación del NIST, Ted Heilweil, diseñó un Manera sin contacto para medir la conductividad direccional que depende de dos tipos de luz. Primero, utiliza pulsos ultracortos de luz visible para crear electrones y huecos dentro de una muestra. Luego, ilumina la muestra con radiación polarizada de terahercios (THz), que tiene una longitud de onda mucho más larga de la que el ojo humano puede ver, en el rango del infrarrojo lejano a microondas.
A diferencia de la luz visible, La luz THz puede penetrar incluso en materiales opacos, como muestras de polímeros relativamente gruesos y semiconductores sólidos. La cantidad de luz que penetra en la muestra depende de cuántos portadores de carga se mueven libremente, indicando su conductividad. Este nuevo método también revela si las cargas se mueven más fácilmente a través del material en una dirección particular.
Hallazgos sorpresa
En el último estudio, Heilweil y Magnanelli utilizan su método THz por primera vez en dos polímeros conductores, elegidos porque son polímeros sencillos de estudiar y comparar. El primero, llamado PCDTPT, es relativamente nuevo. Una cadena consiste en dos moléculas diferentes conectadas de un extremo a otro y alternando como los colores de un gusano de goma. Una molécula de la cadena es un "donante, "que absorbe la luz y produce portadores de carga. La otra molécula es un" aceptor, "que atrae a los operadores de carga, induciéndolos a moverse a lo largo de la cadena y alrededor de la muestra.
El segundo polímero probado en este trabajo, llamado P3HT, se utilizó como comparación porque se ha estudiado mucho más a fondo. Contiene solo una molécula que se repite y tiene una forma más aleatoria, estructura menos ordenada que PCDTPT. Comparado con el silicio, PCDTPT produce aproximadamente tres órdenes de magnitud menos de conducción, y P3HT produce aproximadamente cuatro órdenes de magnitud menos.
Heilweil y Magnanelli probaron primero ambas sustancias en forma de nanofilms, esencialmente una muestra delgada pero sólida. Su objetivo era contrastar las propiedades conductoras de la película de PCDTPT al examinar a lo largo de las hebras y a lo largo de las mismas.
Entonces ellos suspendió ambas moléculas en un líquido no conductor que les impedía interactuar y comunicarse electrónicamente entre sí. Como se esperaba de experimentos anteriores, la solución de P3HT no mostró conductividad medible.
Sólido frente a líquido:el uso de gusanos de goma como sustituto de las hebras de PCDTPT, estas imágenes representan el material PCDTPT en dos formas:como un sólido (arriba) y suspendido en un líquido (abajo). En forma sólida, los gusanos de goma se tocan, y la electricidad puede fluir de un gusano a otro. Cuando se suspende en un líquido, aunque, cada gusano gomoso está más aislado, y la electricidad no puede fluir tan fácilmente entre gusanos. En el experimento NIST, Los investigadores encontraron que las hebras de PCDTPT eran tan conductoras en el líquido como lo eran en forma sólida, lo que sugiere que la conductividad ocurre no tanto entre hebras / gusanos gomosos como a lo largo de una hebra única / gusanos gomosos. Crédito:Sean Kelley / NIST
Para su sorpresa, sin embargo, la solución PCDTPT mostró conductividad. No solo eso, pero mostró tanta conductividad en solución como en forma sólida.
"Fue increíble, ", Dijo Heilweil." Nunca vimos ese comportamiento en ningún otro polímero antes ".
Debido a que las moléculas de PCDTPT estaban más aisladas entre sí en la muestra líquida, El hallazgo implica para los investigadores que la conductividad en PCDTPT ocurre dentro y a lo largo de hebras de polímero individuales (es decir, dentro de un solo gusano gomoso), no entre hebras de polímero (es decir, entre diferentes gusanos de goma), contrariamente a lo que la mayoría de los científicos pensaban anteriormente.
"No podríamos haber descubierto esta información usando el método convencional, método basado en contacto, "Dijo Magnanelli.
El físico del NIST Lee Richter y el investigador invitado Sebastian Engmann, quien preparó las muestras, había estado probando materiales poliméricos direccionales de la manera convencional, aplicando contactos. El uso del método de los terahercios "fue un paso más allá" al permitir a los investigadores "no solo considerar lo que está sucediendo en la superficie donde pones el contacto, pero en lugar de mirar a través de toda la capa, "Dijo Magnanelli.
Avanzando Heilweil y Magnanelli esperan explorar las propiedades de polímeros similares disponibles comercialmente y otros obtenidos por Richter. La conductividad sorpresa de PCDTPT cuando se suspende en un líquido "podría ser la punta del iceberg, porque quizás otro polímero también tendrá una conductividad mucho mejor de lo esperado ", dijo Magnanelli." El cielo es el límite ".
Aunque ni el PCDTPT ni el P3HT por sí mismos probablemente serán particularmente útiles para dispositivos electrónicos de consumo a gran escala, Heilweil enfatiza que hacer las preguntas correctas, al encontrar nuevas y mejores formas de diseñar, orientar y medir las propiedades de los materiales:puede mostrarles a los investigadores que un material que antes carecía de interés puede funcionar mucho mejor de lo que nadie pensaba.
"La predicción puede ser que, aunque todavía estamos en la infancia en términos de comprensión de cómo se comportan estos polímeros, podríamos llegar a un punto en el que sean tan buenos que incluso compitan con el silicio, ", Dijo Heilweil." Es una posibilidad remota, pero muy posible ".
