Меню

Как пластик проводит ток

Электропроводящие полимеры

Электропроводящие полимеры — новый класс полимеров, появившихся сравнительно недавно. В последние годы это направление в полимерной химии стремительно развивается. Использование полимерных материалов в качестве носителей электропроводящих наполнителей известно уже давно. Традиционные электропроводящие полимерные материалы представляют собой композиции на основе различных полимеров (тер-мо- и реактопласты) и электропроводящих наполнителей (сажа, графит, углеродные, металлические и металлизированные волокна, металлическая пудра) и применяются в антистатических изделиях, электромагнитных защитных покрытиях, высоко-омных резисторах, электрических неметаллических нагревателях и токопроводящих лаках. Однако в настоящее время появились новые материалы, в которых электропроводностью обладают уже сами макромолекулы или определенным образом построенные надмолекулярные образования, так называемые «супрамолекулы»-ассоциаты, включающие в свою структуру как органические макромолекулы так и неорганические ионы.

За развитие этого направления в науке в последнее время неоднократно присуждались Нобелевские премии. Например, в 1996 г. премия присуждена англичанину Г. Крото и американцам Р. Карл и Р. Смелли за открытие фуллеренов. В1999 г. премия присуждена Де Жену за теорию жидких молекулярных кристаллов, в 2000 г. премия присуждена американцу Аллану Хигеру и химикам А. Макдиармиду (США) и X. Ширакава (Япония) за развитие электропроводящих полимеров. И, наконец, в 2003 г. Гинзбургу (Россия) за разработку теории проводимости в полимерах.

Можно представить три основных варианта переноса электронов в макромолекулярном веществе: 1 — транспорт электронов, осуществляемый окислительно-восстановительными молекулами, играющими роль подвижных переносчиков; транспорт может сопровождаться или не сопровождаться переносом электрона от одного переносчика к другому при их встрече; 2 — «прыжковый» электронный перенос между окислительно-восстановительными группами, связанными с основным молекулярным каркасом или собранными в супра-молекулярный ассоциат за счет нековалентных взаимодействий; 3 — электронная проводимость вдоль системы сопряженных ти-связей, в которую могут входить другие группы, способные к передаче электрона, например напряженные циклические структуры, гетероатомы, имеющие свободные, не участвующие в образовании связей, электроны. В осуществлении процесса переноса электронов могут участвовать как органические так и неорганические компоненты.

В идеальном случае для полимеров с системой сопряженных двойных связей возможны два типа веществ с сопряженными связями: с зоной, заполненной наполовину (металлическая модель) и с зоной, заполненной полностью — полупроводниковая модель. Во всех случаях удлинение участков сопряжения, реализуемое в полимерах, должно приводить к увеличению проводимости, так как оно сопровождается как уменьшением ширины запрещенной зоны, так и уменьшением числа межмолекулярных барьеров, которые необходимо преодолевать носителям тока при их направленном движении под действием внешнего электрического поля. Механизм проводимости полимеров должен включать следующие элементы: возникновение свободных носителей тока, движение этих носителей в области полисопряжения и переход носителей от одного участка сопряжения к другому. Предполагается, что полимер представляет собой электронно-неоднородную систему, в которой области полисопряжения, характеризующиеся металлической проводимостью, разделены диэлектрическими участками. Перенос носителей через диэлектрические прослойки и является активаци-онным барьером. Полупроводниковые свойства полимера должны зависеть от общей протяженности системы сопряженных связей, компланарности структуры основной цепи, природы боковых групп, от наличия в цепи сопряжения гетероато-мов, имеющих на внешней орбите электроны, не участвующие в образовании химической связи и др.

Полимеры с сопряженными связями обладают полупроводниковыми свойствами и в них можно инжектировать электроны с присоединенного к ним металлического электрода. Электропроводность таких полимеров чувствительна к освещению и поэтому на их основе можно создавать различные светочувствительные устройства, например полимерные световоды. На основе таких полимеров уже созданы световоды, полупроводниковые транзисторы и теристоры. В ближайшее время на основе таких полимеров вполне вероятно будут созданы реально плоские телевизорные экраны, дорожные знаки, плоские дисплеи компьютерных мониторов, светящиеся белым светом внутренние стены медицинских учреждений.

Электронная структура молекул полимера с сопряженными связями в невозбужденном состоянии находится в равновесии и их электропроводность, как правило, мала (о

1>. Чтобы превратить такие полимеры в электропродящие их модифицируют химически или электрохимически — «допируют». Допирование — это процесс придания полимерам свойств электропроводности. В зависимости от допирующего компонента различают р-допирование, когда допирующий элемент стягивает на себя электроны и n-допирование, когда допирующий элемент отдает электроны. Техника допирования несложна, но имеет свою специфику, так как желательно добиться как можно более равномерного распределения «допанта» (вещества, которым допируют полимер).

Тонкие пленки полиацетилена, например, нанесенные в виде покрытий на полимерную подложку (полиэтилен, стекло и др.) получают погружением носителя в раствор катализатора, в качестве которого может быть использован NaBH4xCo(NO3)2 при температуре -80°, а затем при -30° обработанную подложку вносят в атмосферу ацетилена. При этом полимеризация ацетилена, сорбированного на подложке, происходит за несколько секунд. После удаления катализатора получившуюся пленку полиацетилена обрабатывают допантом (например парами иода: проводимость более 200 ом^.см»1). Полученная пленка по внешнему виду напоминает алюминиевую фольгу, а по эластичности соответствует подложке (полиэтилен). Такой полупроводник является полупроводником р-типа (движение (+) зарядов — «дырок» после введения допанта в полимере увеличивается в триллион раз, что и обеспечивает проводимость). Пятифтористый мышьяк, хлор, бром увеличивают проводимость р-типа. Введение К, Na, AsF5 (более 1%) резко меняет проводимоть от дырочной к металлической, величина которой зависит от количества допанта. Полимерные листы из допированного полиацетилена способны преобразовывать световую энергию в электрическую с КПД близким к КПД кремниевых солнечных батарей (после термокаталитического старения проводимость 105 ом^.см»1).

В отличие от ацетилена пиррол (получаемый из каменноугольной смолы) полимеризуется значительно легче электрохимическим способом. Полипиррол образует пленку на одном из электродов ячейки при пропускании через его раствор электрического тока. Допирование полипиррола проводят также электрохимическим методом. Стабилизируют его свойства, осаждая его на ПВХ-по-ристую мембрану. Использование мембраны обеспечивает свободный ток ионов. Таким путем получают полипиррольные электроды, которые могут использоваться в аккумуляторных батареях. Можно изготовлять пластины и прессованием порошка полипиррола, получаемого полимеризацией в растворе (метанол, окислитель FeCl3 + FeCl2 окислительный потенциал 500 мВ, пиррол/FeCl3 — 233, 0-20°, 20 мин.). Электропроводность полученного полимера 190-220 ом»1, см»1. Пленки полипиррола получают осаждением из водного раствора РеС13 на подложку из полиэтилентерефталата с покрытием из полиметилметакрилата . Описаны также и другие методы допирования .

Читайте также:  Ток наводки или нет

В результате химического взаимодействия с донорами электронов или акцепторами электронов проводимость указанных выше полимеров с сопряженными двойными связями может достигать проводимости ртути. Электропроводность электропроводящих полимеров связана с подвижностью электронов в полимерных молекулах, в которых тс-электронное облако, образованное системой сопряженных связей при допировании, приходит в возбужденное состояние. Такое состояние и обеспечивает электропроводность, близкую к металлической.

Сопряженные полиолефиновые цепи, несущие электроно-акцепторную группу на одном конце и электроне-донорную на другом, представляют собой поляризованные молекулярные провода, которые должны обладать свойствами предпочтительного электронного переноса, имея «дырочную» или «электронную» проводимость, т.е. они должны работать как выпрямители. Описано несколько таких устройств. Авторы работы предполагают, что дальнейшее развитие работ по «дизайну» молекулярных проводов может происходить по следующим направлениям: 1 — замена сопряженного полиолефинового фрагмента такими структурами как конденсированные олиготиофены, олигопирролы, ароматические группы или центры координации металлов; 2 — варьирование концевых групп, активных в окислительно-восстановительных процессах, которые одновременно могут также играть роль «якоря», прикрепляющего молекулу проводника к подложке; 3 — организация фрагментов, играющих роль молекулярных проводов, образованных за счет ассоциации и самосборки, основанной на процессах распознания.

Первые поколения полимеров с сильно развитой системой сопряженных связей появившиеся в восьмидесятые годы прошлого века отличались ограниченной растворимостью, они неплавки и трудно прессуемы. С того времени исследователи разработали полимеры с внутренней проводимостью (ПВП), которые возможно перерабатывать в порошок, пленку, волокно различными методами с применением растворителей и катализаторов. Новое поколение ПВП более легко поддается обработке. Они стабильны на воздухе и даже могут быть смешаны с другими полимерами для получения составов с заданной электропроводностью.

В качестве электропроводящих и полупроводящих материалов в литературе описаны также комплексы полимеров с металлами, в частности с металлами переходной валентности, в которых рецепторами являются полимерные органические структуры с системой сопряженных связей, а субстратами — металлы переходной валентности.

Существует несколько способов связывания субстрата с рецептором, зависящих от пространственного строения молекулы рецептора. Если связывание субстрата и рецептора происходит через полость, имеющуюся в пространственном строении молекулы рецептора, то такие ансамбли часто называют комплексами включения или крипта-тами. Путем варьирования природы и числа участвующих в связывании фрагментов и соединительных мостиков можно получить различные мак-рополициклические структуры, которые при связывании с ионами металлов дают биядерные крип-таты различных типов. Было синтезировано множество лигандов, образующих биядерные комплексы. Для этого использовались различные реакции типа амин + карбонил = имин. Эти лиганды образуют биядерные комплексы металлов, а также каскадные комплексы с мостиковыми группами.

Описано большое количество структур образованных полиядерными кластерами металлов,которые характеризуются различными геометрическими параметрами. Некоторые из этих кластеров могут служить прототипами «супрамолекуляр-ных» металлов и обладать металлической электропроводностью. Получены гигантские кластеры, содержащие 70-146 атомов меди или 309-561 атом палладия, проявляющие металлические свойства. Перспективны также хелатные соединения металлов.

В качестве электропроводящих полимеров используются также различные производные фуллеренов.

Проводящие полимеры используются главным образом в качестве антикоррозийного покрытия, для защиты крупных металлических сооружений, например мостов. Допи-рованные полимеры используются в настоящее время в качестве различных антистатических добавок, в частности, антистатический слой из полианилина защищает компьютерные диски, выпускаемые компанией Хитачи. Такие полимеры представляют интерес для антирадарных покрытий, в создании световодов, в мембранных технологиях для разделения полярных жидкостей и газов, для чувствительных газовых и сенсоров, в литографических процессах и фотографии. Процесс допирования и дедопи-рования полимеров может управляться внешним напряжением, что используется для создания легких аккумуляторных батарей.

Перспективным направлением использования электропроводящих полимеров легко поддающихся формированию и обработке — миниатюризация в микроэлектронике с использованием в электронных твердотельных схемах компонентов нужной конфигурации с размерами молекулярного уровня . Вероятно использование электропроводящих полимеров в конденсаторах, элементах памяти компьютеров, фотопреобразователях. В последнее время появилось много публикаций, особенно в Интернете о других областях применения электропроводящих полимеров. Сообщается, что некоторые из них при воздействии электрического напряжения или при химических воздействиях изменяют цвет, что используется при создании электронных оптических переключателей и устройств памяти. Электропроводящие полимеры перспективны для создания межэлементарных соединений с размерами молекулярного подуровня (1 нм), для изготовления высоковольтных кабелей, допированных таким образом, что проводящей частью окажется центральная, а наружная будет изолятором, в различных устройствах электротехнического и электронного оборудования и электроприборостроения.

Прогресс вычислительной техники связывают с сочетанием электронных и оптических методов обработки информации. Фотоэлектронные компьютеры работают в тысячи раз быстрее, с высокой плотностью записи информации. Голографичес-кую внешнюю память, основанную на фотореф-рактивном эффекте (изменение физических свойств под действием света) обеспечивает, например, фотореактивный поли-1ХГ-винилкарбазол.

Исследователи фирмы «Кодак» получили трехслойную полимерную пленку, которая удваивает частоту излучения идущего от полупроводникового лазера — переводит свет из близкого ИК-диапо-зона в видимый голубой, что позволяет более плотно записывать информацию на компакт-диске. За счет изменения состава боковых групп полиацетилена получен полидиацетилен, легче растворимый. Из него легче формировать пленки, которые являются фоторефрактивными жидкокристаллическими полупроводниками. С использованием то-копроводящих полимеров разработаны транзисторы с затвором и электронными переключателями (электрическим током между входом и выходом управляет специальный электрод-затвор). Переход к чисто полимерным устройствам позволит использовать простые методы трафаретной печати на изолирующий слой из полиэтилентерефталатной пленки. В таком устройстве на полиэтилентереф-талатную пленку наносят пасту, бислой закрепляют на гибкой ленте матрицы, сверху изолятора из того же электропроводящего полимера делают входной и выходной электроды (органический полупроводник — дигексилсесквитиофен, содержащий шесть тиофеновых блоков). На смену тяжелым свинцовым, кадмий-никелевым, железо-никелевым аккумуляторам в настоящее время пришли литиевые. Использование электропроводящих полимеров для изготовления активных частей источников тока позволяет исключить применение для них тока цветных металлов и снизит массу аккумуляторов вдвое, обеспечить электрохимическую обратимость, реализует большие значения удельной мощности и энергоемкости и безотходную технологию их изготовления.

Читайте также:  Водонагреватель термекс вода бьет током причина

Разработан ряд интересных токопроводящих полимеров. Так гель на основе поликротоновой кислоты в слабощелочных водных растворах способен изменять свой объем под действием электрического тока. Британская компания Геловейтен разработала материал, способный менять свои свойства от диэлектрика до проводника. В Англии разработаны полимерные светодиоды, на основе полимеров с чередующимися фениленовыми и винильными группами и боковыми группами ОС6Н13 и CN. При помещении такой пленки между электродами она испускает желто-зеленый свет. Они перспективны для создания экранов телевизоров и дисплеев.

«Химическая промышленность сегодня», №5, 2007

Источник

Пластмассовый ток

Грядет создание целого ряда пластмассы нового вида с металлическими или даже сверхпроводимыми свойствами.

Всем известно, что пластмасса обычно проводит электричество так слабо, что она используется, как правило, для изоляции электрического кабеля. Исследование возглавили профессор Поль Мередит и профессор Бэн Поуэлл в Университете Куинслэнда. Австрийские ученые установили тонкий слой металла на пластиковый лист и посредством смешивания превратили в полимерную поверхность при помощи ионного луча. Тем самым исследователи показали, что метод может быть использован для производства дешевых, прочных, гибких и проводящих ток пластиковых оболочек.

Ионные лучевые методы широко используются в промышленности микроэлектроники для приспособления удельной электропроводности таких полупроводников как, например, кремний, но попытки применять этот процесс относительно пластиковых оболочек проделывались с ограниченным успехом еще с 1980 года. Теперь все по-другому.

“Научно-исследовательской группе удалось при помощи ионного луча настроить свойства пластиковой оболочки так, чтобы она проводила электричество подобно металлам, использованным в электрических проводах и даже действовать так, как сверхпроводник и проводить электрический ток без сопротивления при условии охлаждения и достаточном снижении температуры” – сообщил профессор Мередит.

Для того, чтобы продемонстрировать потенциальное применение этого нового материала, группа физиков произвела электрические термометры сопротивления, которые соответствуют промышленным стандартам. Протестированный для сравнения с термометром сопротивления платинового стандарта, новый термометр дал такие же или даже лучшие результаты и показал превосходную точность.

“Этот материал так интересен, поскольку мы можем использовать все желательные аспекты полимеров – механическая гибкость, надежность в эксплуатации и низкая стоимость – и к этим всем достоинствам добавить хорошую электрическую удельную электропроводность, что естественным образом не связанно с пластмассой” – говорит профессор Миколич. “Это открывает новые пути к получению пластиковой электроники”.

Специалисты заявляют, что самым восхитительным в этом открытии является точная настроенность способности оболочки проводить или сопротивляться потоку электрического тока. Это открывает широкий потенциал для полезных применений.

“Фактически мы можем поменять электрическое удельное сопротивление больше на 10 порядков величины, что говорит о наличии у нас десятимиллиардного выбора для регулирования состава во время производства пластиковой оболочки. В теории, мы можем сделать пластмассу, которая не проводит электричество совсем или, так же как металлы” – отметил доктор Стефенсон.

Эти новые материалы могут легко быть произведены оборудованием, обычно используемым в промышленности микроэлектроники и значительно более терпимы к воздействию кислорода по сравнению со стандартными полупроводящими полимерами.В комплексе эти преимущества полимерной оболочки обработанной ионным лучом могут стать светлым будущим в современной разработке мягких материалов для применения их в пластиковой электронике – слияние технологий настоящего и будущего.
Использована информация из открытых источников.

Источник

Новые технологии. Токопроводящий пластик

Новые технологии. Токопроводящий пластикВ статье говорится о грядущем прорыве в области электроники -это токопроводящие пластмассы. Телевизор можно будет свернуть в рулон. Скоро наступит эра гибкой электроники.

До сих пор основную роль в современной радиоэлектронике играют такие материалы, как медь (провода и другие токопроводящие части) или кремний (полупроводники, компьютерные «чипы»). Пластмассы мы представляем больше в виде корпусов приборов, изоляционных покрытий. Ученые-материаловеды думают иначе, они считают, что органические материалы на основе углерода могут стать в ближайшем будущем главным сырьем при производстве радиоэлементов, магнитов, лазеров.

Возможности пластмасс безграничны, если синтезировать миллионы молекул, заменив в них отдельные участки, можно создавать полимеры с многочисленными функциями. Например, растворить такие полимеры в химическом растворителе, использовать их как чернила для принтера и распечатать любую электронную схему. Это огромнейшее преимущество перед ранее используемыми материалами, как экономическое, так и технологическое. А это значит, что совсем скоро в повседневную реальность войдет пластиковая или органическая электроника.

Совсем недавно японская фирма снова нас порадовала: в продаже появился телевизор нового поколения. Его основной материал – токопроводящий пластик. Пластиковые дисплеи тонкие и легко гнутся, их толщина 1 мм и меньше. В идеале такой экран даже можно свернуть в рулон или наклеить на стены в виде обоев с видеоизображением. Цена пока кусается, но эксперты уверяют, что такие дисплеи станут всеобщим достоянием уже через несколько лет. Хорошей передачей цвета и низким энергопотреблением они опережают и ЖК-мониторы и плазменные панели.

Новые технологии. Токопроводящий пластикВ университете штата Огайо впервые изготовили магниты из органического материала. В Нью-Джерси в компании по телефонному оборудованию смогли разработать новый электрический лазер на основе пластика. Если создать низкотемпературный режим для этого материала, он приобретает свойства сверхпроводника.

Читайте также:  Расчет автомата при пусковом токе

Южнокорейская компания «Samsung» встала на путь создания гибких интегральных микросхем. Это начало длинного пути по созданию полноценных микросхем, поскольку находится в разработке вопрос, как сформировать на одной подложке органические и неорганические транзисторы.

В недалеком будущем читатель сможет создать газету своими руками. Стоит только подсоединить лист бумаги к сотовому телефону или компьютеру и скачать информацию из интернета.

Органические светодиоды – вот основа революционной технологии, это тонкопленочные материалы, полученные из органических соединений. Если пропустить через них ток, то они будут излучать свет. В прошлом веке электроника основывалась на кремниевых полупроводниках, в XXI веке она будет базироваться на пластмассах и других органических соединениях.

В 2000 году присудили Нобелевскую премию ученым, выбравшим новый курс в развитии электроники, сумевшим превратить пластмассу, состоящую из молекул, связанных в длинные полимерные цепи, которые не проводят электричество, в электрический проводник. Объемы рынка пластиковой электроники – 3 млрд. долларов, прогноз 2015 года – 30 млрд.

Как водится, новаторами внедрения технологии стали японцы и корейцы, но российские ученые тоже работают в этом направлении. Ведущий научный сотрудник Сергей Пономаренко (Институт синтетических полимерных материалов РАН) вместе с коллегами из Европы разрабатывал «умное» вещество. Из него потом получили органический тонкопленочный транзистор. С. Пономаренко рассказывает: «Толщина слоя этого вещества – одна молекула, оно способно самособираться в тончайший слой и обладает свойствами полупроводника». Данная разработка очень важна, поскольку снижается количество затрачиваемых материалов, а следовательно и стоимость электронного устройства.

Токопроводящий пластикГибкие экраны и видеобои, это не все достижения новой технологии, она может внедриться во многие сферы жизни. Если микросхемы будут печататься на бумаге, то, например, упаковку товаров можно сделать электронной. На расстоянии нескольких метров система считает и покажет на экране информацию, необходимую покупателю: о стоимости, сроке годности, производителе.

Можно хорошо сэкономить, если даже лампочки сделать пластиковыми, ведь они будут дешевыми и менее энергоемкими. В складском хозяйстве можно будет вместо компьютерных кодов напечатать электронную схемку на коробке или ящике, которая может принять радиосигнал и послать ответ. После запрашивающего сигнала приемное устройство сможет зафиксировать ответ от каждой коробки и распечатать таблицу с содержимым каждого складского помещения.

В результате пластмассы могут вытеснить традиционные материалы из компьютерных технологий, т. к. путь миниатюризации в повышении быстроты действия компьютерных схем будет исчерпан.

Пластиковая технологическая революция приближается, пока же надо решить некоторые проблемы. Органика взаимодействует с кислородом, влагой, значит надо найти материал, защищающий пластиковую электронику от разрушений и увеличивающий срок ее работы. После удачных завершений исследований на эту тему, можно будет говорить о приходе эпохи гибкой электроники.

Источник



Проводит ли пластик электричество?

Проводимость электричества зависит от структуры полимера. Пластмассы типа полиэтилена, полистирола не проводят электричество. Однако, если полимер является полярным, он имеет дипольный момент, который может привести к его проводимости. Неполярные полимеры используются в качестве изоляторов, но полярные полимеры не очень подходят для использования в качестве изоляторов. Существуют также высокопроводящие полимеры, такие как полианилины и полиацетилены, благодаря их структуре, которая позволяет легко перемещать электроны. Также включение проводящих наполнителей в пластмассу помогает улучшить проводимость.

Определение изолятора и проводника

Электрический проводник — это материал, в котором электрический ток может течь свободно

Электрический изолятор представляет собой материал, который не может легко проводить электрический ток.

Здесь, в определении изолятора, вы можете видеть, что материал, который не легко проводит электричество, является изолятором. Это не значит, что изолятор никогда не проводит электричество.

Изоляторы — это материалы, атомы которых имеют сильно связанные электроны. Изоляторы используются для защиты от опасного воздействия электричества, протекающего через проводники, например, на изолированные инструменты.

В приведенной выше части изолятора плоскогубцы вы можете увидеть 1000В написано. Это означает, что если вы используете этот инструмент в электрическом поле более 1000 В, состав материала потеряет свои изолирующие свойства и будет действовать. Вы можете получить удар током.

Если напряжение достаточно высокое, чтобы разрушить плотно связанные электроны этого конкретного материала, электрический ток будет протекать даже через материалы, которые обычно считаются изоляторами.

Если бы я сказал, что да, это ведет, тогда вы можете запутаться, но это правда. позвольте мне объяснить, почему ..

Пластик называют изолятором, потому что он имеет очень высокое сопротивление для проводимости электричества. Но это не значит, что это не ведет.

Давайте сделаем немного математики ..

Допустим, сопротивление пластика составляет 500000 Ом, что может иметь практическое значение. Теперь давайте рассчитаем ток для 200 В, который будет равен 0,4 мА. Итак, на самом деле пластик проводит электричество.

Но тогда почему ты не шокирован? Это потому, что поскольку значение сопротивления пластика слишком велико, то напряжение, которое подается на пластик, падает так быстро, как вы спускаетесь и где вы берете пластик в этот момент, напряжение очень меньше, что для вас слишком мало, чтобы иметь его через ваше тело протекает значительный ток, который может навредить вам, и это причина, по которой вы не испытываете шока.

Вот как работают изоляторы, они падают так сильно, что напряжение, которое появляется на другом конце, настолько меньше, что делает его совершенно безвредным, но это не значит, что они не проводят электричество, изоляторы также проводят электричество, но текущее значение так меньше, и напряжение падает так быстро, что напряжение на другом конце становится очень близко к нулю.

Источник