بلاستيك شفاف وموصل وقابل للطباعة

نجح فريق من الكيميائيين والمهندسين من معهد جورجيا للتكنولوجيا في تطوير بوليمر قادر على توصيل الكهرباء بكفاءة عالية مع كونه مرنًا وشفافًا وسهل الاستخدام على المستوى الصناعي.

[ترجمة د. موشيه نحماني]

نجح فريق من الكيميائيين والمهندسين من معهد جورجيا للتكنولوجيا (معهد جورجيا للتكنولوجيا) في تطوير بوليمر قادر على توصيل الكهرباء بكفاءة عالية مع كونه مرنًا وشفافًا وسهل الاستخدام على المستوى الصناعي.

وتمكن الباحثون من إنتاج هذا البوليمر المبتكر والمهم ببساطة عن طريق إزالة المادة غير الموصلة من بقية المادة الموصلة. ويمكن أن تؤدي العملية الناتجة إلى ظهور أنواع جديدة من الأجهزة الإلكترونية المرنة والشفافة، مثل أجهزة الكشف الحيوية القابلة للارتداء، والخلايا الكهروضوئية العضوية، بالإضافة إلى الشاشات والنظارات المستندة إلى الواقع الافتراضي.

وقال الباحث الرئيسي: "كانت فكرتنا الأصلية هي أخذ مكون موصل قمنا بتغليفه بمادة غير موصلة، ثم فكرنا لماذا لا نتخلص منه ونبقى مع المكون الموصل فقط". "إنها فكرة بسيطة، ومع ذلك كانت هناك العديد من النقاط فيها التي يمكن أن نفشل فيها ببساطة لأسباب عديدة. ومع ذلك، اكتشفنا أنه يعمل بالفعل، بل وأفضل مما توقعنا." من أجل جعل شريط من البلاستيك يوصل تيارًا كهربائيًا، يبدأ الكيميائيون بعمود فقري معروف من البوليمر - في هذه الحالة بوليمر شائع يسمى PEDOT يستخدم في الصناعة في تطبيقات معينة. وهذا البوليمر ممتاز لتوصيل الكهرباء، ولكن من الصعب استخدامه في شكله الأصلي لأنه غير قابل للذوبان. ومع ذلك، عند إضافة سلاسل جانبية إلى هذا البوليمر، يمكن إذابته واستخدامه في حبر الطباعة أو تطبيقات الطلاء بالرش. هذا التعديل يجعل البوليمر سهل الاستخدام والتطبيق. لسوء الحظ، هذه السلاسل الجانبية هي في الأساس مادة تشبه الشمع ولا توصل الكهرباء. "إذا كنت تفكر في التوصيل الكهربائي، تخيل سلكًا نحاسيًا؛ إنه جميل وجذاب. وقال كبير الباحثين: "وبعد ذلك، إذا قمت بتغطيتها بالشمع، فهي ليست موصلة للكهرباء، وهناك حاجز معين بداخلها". "كانت فكرتنا كالتالي: نحن مهتمون بوجود هذه السلاسل الجانبية أثناء العملية، ولكن ليس في المنتج النهائي. لذلك أضفنا سلاسل جانبية يمكن إزالتها بسهولة بمجرد الانتهاء من هذه العملية." بمعنى آخر، ابتكر الباحثون بوليمرًا بسلاسل جانبية يمكن استخدامها للطباعة أو الرش، وفصل السلاسل الجانبية كيميائيًا وغسلها بالمذيبات الصناعية الشائعة. بعد المرحلة النهائية من التحويل، تكون النتيجة بوليمر مرن وعالي التوصيل، ومستقر وغير منفذ للماء أو المذيبات الأخرى. استخدم فريق البحث المعرفة من مجموعة متنوعة من المجالات العلمية مثل: الهندسة الميكانيكية، والكيمياء، والكيمياء الحيوية، وعلوم المواد والهندسة. ونشرت نتائج البحث هذا العام ضمن مقالات في مجلتين متخصصتين في مجال الكيمياء، مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية نعم Angewandte Chemie.

"فكرنا في هذه الفكرة لطريقة صنع بوليمر ذو موصلية تزيد عن ألف قطعة لكل سم، ويمكن إنتاجه باستخدام طرق طباعة صناعية بسيطة ومذيبات شائعة، وبالإضافة إلى كونه موصلًا للكهرباء، وشفافًا بصريًا أيضًا، قال جون رينولدز، الأستاذ في كلية الكيمياء والكيمياء الحيوية وأحد مؤلفي المقالين: "إنه أمر مثير للغاية بالنسبة لي". لقد حصل فريق البحث بالفعل على الكثير من الاهتمام بموادهم المبتكرة، والتي يطلقون عليها اسم PEDOT(OH)، والتي تم تقديم طلب براءة اختراع لها. ويجتمع الباحثون أيضًا مع شركاء الصناعة المهتمين بالحصول على ترخيص للتكنولوجيا الجديدة بفضل المزايا العديدة للبوليمر.

أحد أكثر المواد الموصلة الشفافة شيوعًا في إنتاج الشاشات المسطحة والأجهزة الكهروضوئية والنوافذ الذكية وغيرها من التطبيقات هو أكسيد القصدير الإنديوم. ومع ذلك، هذه المواد لديها العديد من العيوب. وقال الباحث: "من الصعب جدًا إنشاء أجهزة منحنية ومرنة باستخدام مادة أكسيد القصدير الإنديوم، لأن هذه المادة هشة وتميل إلى التشقق". "هذه البوليمرات التي أنشأناها مرنة ميكانيكيا. هناك مجال كامل يسمى "الإلكترونيات الحيوية"، حيث يقوم الأشخاص بوضع الأجهزة الكهربائية على الجلد كأجهزة قابلة للزرع، وهو مجال تكون فيه المرونة الميكانيكية في غاية الأهمية.

وقال الباحث الرئيسي: "إن إحدى الفوائد الحقيقية لفكرتنا تكمن في حقيقة أن الباحث لديه سيطرة كبيرة على معالجة المواد". "من وجهة نظر صناعية، فإن أكبر فائدة في هذا المجال هي أنه إذا كنت تريد طبقة يبلغ سمكها عشرين نانومتر، فيمكنك إنتاجها بسهولة؛ وإذا كنت تريد طبقة بسمك ميكرون واحد، فيمكنك إنتاجها بسهولة أيضًا؛ لديك حقًا سيطرة أكبر بكثير." وقال الباحث الرئيسي إن جوهر فكرة الباحثين هو في الواقع مزيج من النوع المناسب من هيكل البوليمر مع النوع المناسب من الرابطة القابلة للتحلل للتطبيق المطلوب، وهو الموصلية الكهربائية العالية في هذه الحالة.

الأخبار عن الأبحاث 

ملخص المقال

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• مادة بلاستيكية قادرة على توصيل الكهرباء
• طور باحثون من جامعة تل أبيب نوعًا جديدًا من الدليل الموجي
• أول قياس للتيار الكهربائي في سلك جزيئي
• تعلم من الفراشات عن الشفافية الكاملة